一些工程师从鸟类飞行的力学和蜂巢的结构中找到灵感。其他人认为要小得多。由康奈尔大学农业与生命科学学院生物与环境工程教授吴明明领导的团队创​​造了细胞大小的机器人，可以由超声波驱动和操纵。尽管它们的尺寸很小，但这些微型机器人游泳者——其运动受到细菌和精子的启发——有朝一日可能成为一种强大的靶向药物输送新工具。

该团队的论文“由超声波远程控制的受生物启发的微型机器人游泳者”于9月22日在英国皇家化学学会的出版物LabonaChip上发表。

该论文的第一作者是前博士后研究员罗涛。

十多年来，吴的实验室一直在研究微生物，从细菌到癌细胞，迁移和与环境交流的方式。最终目标是创造一个可以在人体内导航的遥控微型机器人。

“我们现在可以制造比鸟类更好的飞机。但在最小的规模上，在很多情况下，大自然比我们做得更好。例如，细菌经过数十亿年的进化来完善它们的做事方式，”吴说。“这让我们认为我们实际上可以设计类似的东西。如果你可以将药物送到目标区域，比如癌细胞，那么你就不会有那么多副作用。”

吴说，它们更巧妙的特性之一是细菌可以在一秒钟内游动其身体长度的10倍，而精子可以逆流游动。

吴的研究团队最初尝试设计和3D打印一个微型机器人，模仿细菌使用鞭毛推动自己的方式。然而，就像早期的飞行员一样，他们笨重的飞机太像鸟而无法飞行，这种努力失败了。当罗加入吴的实验室时，他们开始探索一种不那么直接的方法。主要障碍是如何为其供电。由于人必须先爬才能走路，因此微型机器人需要先通电才能游泳。

“细菌和精子基本上会消耗周围液体中的有机物质，这足以为它们提供动力，”吴说。“但对于工程机器人来说，这很困难，因为如果它们携带电池，它们就太重而无法移动。”

该团队想到了使用高频声波的想法。因为超声波是安静的，所以它可以很容易地用于实验实验室环境。作为额外的奖励，美国食品和药物管理局认为该技术可安全用于临床研究。

然而，该团队被制造过程难住了。罗与康奈尔纳米尺度科技设施(CNF)合作，尝试用光刻法制作原型，但耗时且结果无法使用。

当CNF购买了一种名为NanoScribe的新型激光光刻系统时，该项目获得了至关重要的推动，该系统通过直接写入光敏树脂来创建3D纳米结构。该技术使研究人员能够轻松地在微米级调整他们的设计并快速产生新的迭代。

在六个月内，罗创造了一个三角形微型机器人游泳者，看起来像一只昆虫与火箭飞船交叉。游泳者最重要的特征是其背部蚀刻的一对空腔。由于其树脂材料是疏水性的，当机器人浸入溶液中时，每个空腔中都会自动捕获一个微小的气泡。当超声换能器对准机器人时，气泡会振荡，产生涡流——也称为流动——推动游泳者前进。

其他工程师之前已经制造了“单气泡”游泳器，但康奈尔大学的研究人员率先开发了一种使用两个气泡的版本，每个气泡在各自的腔中都有不同直径的开口。通过改变声波的共振频率，研究人员可以激发气泡或将它们调整在一起，从而控制推动游泳者的方向。

未来的挑战将是使游泳者具有生物相容性，以便他们能够在与它们大致相同大小的血细胞之间导航。未来的微型游泳者还需要由可生物降解的材料组成，以便可以一次派遣许多机器人。就像只有一个精子才能成功受精一样，数量是关键。

“对于药物输送，你可以有一组微型机器人游泳者，如果一个人在旅途中失败了，那不是问题。这就是大自然的生存方式，”吴说。“在某种程度上，它是一个更强大的系统。更小并不意味着更弱。其中一组是不可战胜的。我觉得这些受自然启发的工具通常更具可持续性，因为大自然已经证明它有效。”

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