現(xiàn)實世界中，在微觀領域進行探索和操作需要一類小的機器人作為幫手，它們的尺寸要小到能夠在微米甚至是納米尺度執(zhí)行特定任務，這就是微型機器人。微型機器人由于個體太小，在研制過程中主要面臨3個方面挑戰(zhàn):能源、驅(qū)動和控制。微型機器人不能像宏觀機器人那樣外接電線或攜帶電池為其供能;也不能裝載電機來產(chǎn)生運動;此外，如何無線遙控微型機器人在小尺度空間按指令運動及作業(yè)也是需攻克的難題。
針對這些問題，國內(nèi)外已開展了幾類微型機器人的研究，包括磁驅(qū)動微型機器人、光驅(qū)動微型機器人、熱驅(qū)動機器人、化學氣泡推動機器人、微生物機器人等。藻類細胞機器人是這些機器人中的一種。藻類細胞尺寸通常為幾微米至幾十微米，具有眼點和鞭毛，能夠從周圍液體環(huán)境中獲取能量，并高效地將化學能轉(zhuǎn)化為其鞭毛的機械能，驅(qū)動自身向前游動。它們的游動速度可達110 μm/s，即每秒運動距離是其自身體長的3~10倍，可以稱得上是微觀世界里的“高速跑車”。在它身體前端的“眼點”，能夠感知特定波長光線的刺激，并迅速做出響應，這就是它的趨光性。藻類細胞得天獨厚的優(yōu)勢自然而然地解決了微型機器人面臨的供能和驅(qū)動問題，如何控制它按人的意愿運動及執(zhí)行任務，這是科研人員待解決的問題。
藻類細胞在水中是任意游動的，如何實現(xiàn)其機器人化運動及向外界做功是生物學與機器人學交叉領域的難點問題。2005年，Weibel等首次報道了利用衣藻細胞趨光性控制細胞在微流控管道內(nèi)往復運動，并通過衣藻細胞帶動直徑1~6 μm的聚苯乙烯小球運動，但該研究中衣藻細胞是在一段直管道內(nèi)往復運動。為了控制藻類細胞進行更復雜的運動，中國科學院沈陽自動化研究所微納米課題組開發(fā)了藻類細胞引導系統(tǒng)(Algae Guiding System, AGS)。通過該系統(tǒng)可以控制藻類細胞定向運動，使其依次通過十字形微流控管道，遍歷4條管道后又回到出發(fā)點，如下圖所示。通過合理規(guī)劃AGS光源的運動，可實現(xiàn)藻類細胞機器人在二維空間沿任意設定路徑的運動，包括沿三角形、長方形、方波形等路徑運動。
在微觀世界中藻類細胞機器人既然可以按操作者的意愿運動，能否利用藻類細胞機器人來搬運貨物呢?答案是肯定的!在控制藻類細胞機器人定向運動的基礎上，通過對機器人的群體控制，研究人員成功實現(xiàn)了對微小物體的準確抓取、可控輸運和精準釋放。通過照射光斑可以控制藻類細胞機器人聚集到直徑 100 μm顆粒周圍，在移動光斑時藻類細胞群體可推動顆粒隨著光斑而運動，關閉光斑即實現(xiàn)了顆粒的釋放。
除了控制藻類細胞機器人定向運動，研究人員又進一步實現(xiàn)了藻類細胞機器人的陣列化旋轉(zhuǎn)。結(jié)合光誘導介電泳技術(shù)(ODEP)，建立了藻類細胞在ODEP微環(huán)境中的轉(zhuǎn)動狀態(tài)模型和受力模型，實現(xiàn)了對藻類細胞的快速捕獲及陣列化旋轉(zhuǎn)，且通過改變光強可有效調(diào)節(jié)細胞旋轉(zhuǎn)速度，如下圖。構(gòu)建的藻類細胞旋轉(zhuǎn)陣列有望作為微尺度馬達陣列，在微流控及生物驅(qū)動領域發(fā)揮重要作用。
藻類細胞作為微型機器人，解決了以往微型機器人在能源、驅(qū)動、控制方面遇到的問題。通過對藻類細胞機器人進行控制，研究人員實現(xiàn)了藻類細胞機器人的定向運動、旋轉(zhuǎn)及對微結(jié)構(gòu)的輸運。藻類細胞機器人作為一種新型微型機器人，是微觀世界里的特種兵，它們將在生物驅(qū)動、藥物輸運、環(huán)境監(jiān)測和微納制造等方面為人類做出貢獻。
