纤毛是微米级的生物结构，在自然界中频繁出现。它们具有特征性的高频三维摆动运动（5-40 Hz），在体内发挥着不可或缺的作用。
在人的大脑中，纤毛运动对神经元成熟至关重要；在肺中，它对于清除呼吸道是必不可少的；在生殖系统中，纤毛运输生殖细胞。相反，纤毛功能障碍或损伤可能导致神经发育障碍、呼吸功能障碍、不育或胚胎畸形。
来自斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所 (MPI-IS) 物理智能部门、香港科技大学和伊斯坦布尔的科奇大学的科学家们创造了由水凝胶制成的人造纤毛，通过施加电场，它们可以单独或成组移动。
他们的工作发表在《自然》上，标题为“3D打印的低电压驱动纤毛水凝胶微致动器”。
每个微执行器或微机器人只有18微米长，直径约为2微米，几乎与真实的纤毛一样小。科学家们将数百根他们的纤毛放置在包含内置电极的柔性箔状基底上。
微米尺度水凝胶执行器的工作原理示意图。a. 当施加外部电场时，软水凝胶内部的水通过其内部网络移动，使材料弯曲。利用这一机制，研究人员可以创建大量微小、毛发状的结构，称为微绒毛。b. 这些微绒毛阵列可以构建在集成微型电极的柔性表面上，从而精确控制其运动。
在每根纤毛周围，他们放置了四个小型电极。当电极接通电源时，它们会产生一个电场，使水凝胶内部的离子移动。这种受控的离子迁移使纤毛开始运动。
根据科学家对电极供电的方式，水凝胶鞭毛可以弯曲或旋转。打开一侧的电极，推动该方向的离子，使鞭毛向该侧弯曲。要使鞭毛旋转，需依次打开四个电极，使离子在圆形路径上移动。然后鞭毛跟随这种运动，在三维空间中顺畅旋转。
“在小尺度上，使用电信号驱动离子移动进行驱动，已被证明是一种非常有效和高效的方法。例如，人体依靠电肌肉信号控制肌肉组织中离子的分布，然后产生运动，”该研究的第一作者刘泽民说。
“基于这一原理，我们开发了微米尺度的离子驱动水凝胶。就像人类肌肉一样，这些水凝胶在电信号刺激内部离子时移动。在我们的工作中，我们只使用1.5伏电压，这低于水溶液中的电解阈值，是完全安全的，例如在人体内。”
为了构建这些微小阵列，科学家们使用了一种称为双光子聚合的方法，也被称为2PP。研究团队逐层打印水凝胶纤毛纳米薄片，以优化水凝胶网络结构和驱动性能。 "我们水凝胶内部的流体移动得很快，因为我们创造了纳米级的小孔遍布整个材料。这些小孔就像微型高速公路，使流体能够更快、更大规模地流动，从而产生更强烈和更有效的动作，"文奇·胡说。他是MPI-IS的生物启发自主微型机器人组的负责人，现在是香港科技大学的助理教授。
“通过我们的制造技术，即使是非常低的电压也能产生强大的电场，这会推动离子快速移动。多亏了孔隙结构和强大的电场，我们的人工纤毛可以极其迅速地反应。” 研究团队测试了他们的微机器人纤毛超过330,000次。这些微小结构几乎没有磨损的迹象。这个循环次数相当于连续以5赫兹频率 beating一整天——大致对应于真实生物纤毛的自然工作寿命。研究人员还展示了他们的仿生纤毛能够在不同类型的流体中运行，包括具有生物相关性的液体，如人血清和鼠血浆。
每个单独的微纤毛执行器被四个小电极包围。通过选择性地激活这些电极，微纤毛可以在三维空间中移动，使整个阵列能够进行复杂和可编程的运动。
"在过去，研究人员只能观察自然鞭毛的行为。现在我们终于有了一个可以研究鞭毛运作的机器人平台：它们如何移动，如何作为一个集体工作，以及它们可以传输或混合哪些类型的流体，"说 Metin Sitti，他是 MPI-IS 的物理智能部门负责人，现在是伊斯坦布尔科贾大学的校长。
“这些水凝胶纤毛未来有可能在生物医学领域中帮助恢复或替换受损的纤毛。作为微驱动技术的重要进展，它们也为设计微型机器人系统开辟了新的机会，例如在这项工作中我们展示的拍打微机器。”
这种纤毛技术在现实世界中能带来什么？这项研究为几个有前景的未来应用铺平了道路： 一个新的研究生物鞭毛如何工作的平台：研究人员现在可以使用这些人工鞭毛阵列仔细测试天然鞭毛如何移动，它们如何集体合作，以及它们如何帮助完成重要任务，例如发育、感知环境和移动液体。
潜在的医疗应用：这种柔软可控的水凝胶纤毛可能会激发未来设计用于帮助替换或支持人体内受损纤毛的治疗设备，特别适用于纤毛在我们的呼吸和生殖系统以及脑室中不再正常工作的疾病。
下一代微机器人和微设备的基础：本研究展示的快速、低电压驱动可以用于设计新型的小型机器人、微流控工具和小型尺度的先进工程系统。
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