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科学家研制最小引擎:可驱动人体内医用机器人

导读: 在新一期美国《国家科学院学报》,英国剑桥大学研究人员发布论文,称已经成功研制出纳米换能器或“蚂蚁”。它能利用金属颗粒的分子间作用力进行工作。它可产生一种微观尺度上的推动力,其单位重量推力是任何已知马达或肌肉的100倍。

  这是世界上最小的引擎,能驱动各种纳米机器,甚至可以用于在人体内部工作的医疗机器人

  在新一期美国《国家科学院学报》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上,英国剑桥大学研究人员发布论文,称已经成功研制出纳米换能器(actuatingnano-transducer)或“蚂蚁”(actuatingnano-transducer的首字母缩写Ant)。它是一种胶体发动机,由金纳米颗粒和温度响应性聚合物聚N-异丙基丙烯酰胺(pNIPAM)组成,利用金属颗粒的分子间作用力(又称范德华力)进行工作。它可产生一种微观尺度上的推动力,其单位重量推力是任何已知马达或肌肉的100倍。

  “多年来,大家一直在谈论制造纳米机器人,但它们仍未问世。”剑桥大学(Cambridge)教授、该项目带头人杰里米?邦伯格(JeremyBaumberg)说,“为什么呢?这是因为直至今天,我们仍无法让纳米机器人在液体中移动——这就像是在纳米尺度的糖浆中游泳,分子力太强了。”

  而“蚂蚁”的动力源自物理反应而不是化学反应。它包含金纳米颗粒,每个颗粒的直径约为0.06微米(相当于人类头发宽度的千分之一),这些颗粒与聚N-异丙基丙烯酰胺的凝胶状聚合物一起泡在水里。

  当温度升到临界温度32摄氏度以上时,金颗粒通过分子间吸引力与聚合物一道被紧紧束缚在一起。当温度降到32摄氏度以下时,聚合物突然吸收水分并膨胀——聚集的金颗粒被快速推散开来,就像弹簧一样。

  “这就像是爆炸,”论文第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室的丁涛(TaoDing)说,“当水分子让金颗粒周围的聚合物膨胀时,数百个金球在百万分之一秒内飞散开来。”

  丁涛称,此前,人们制造出一系列微型引擎,但是它们响应速度慢,驱动力小;而他们的引擎把范德华力以弹性势能的形式存储在温度响应性聚合物之中,可以通过温度变化或者光热驱动,具有响应速度快、驱动力大的特点,克服了传统微型发动机的瓶颈。

  “就像真正的蚂蚁一样,它们能够提供比自身重量大得多的力量。智能的部分是我们利用重金属微粒的范德华引力将聚合物和水分子的力量释放出来,这具有很强的可逆性和可重复性。”邦伯格教授说。

  依据论文,“蚂蚁”原型引擎可用激光来控制系统的温度,但也可采用其他机制。临界点也可调整,比如把能量释放点设定为接近37摄氏度——人体的正常温度。

  丁涛说,短期来看,该研究成果可用于控制微流体阀门的开关、生物检测以及药物筛选;长期来看,它可用于纳米机器人进行纳米医疗以及微纳机电系统等领域。总之,这种微型引擎有可能成为各种纳米机器的重要动力源泉。

  “这一概念可为大量的未来设计提供支撑,”邦伯格教授说。该团队正与剑桥大学的商业化机构“剑桥实业”(CambridgeEnterprise)合作,开发这项技术的实际应用。 

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