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一項新的研究表明，微小細菌的集體隨機運動可以被利用來以預定的方向轉動更大的機械齒輪。這項研究將於本週線上發表在《美國國家科學院院刊》上，它為所謂的布朗棘輪的概念提供了一種新的思路，在這種概念中，任意的波動會產生定向運動，從而為微小的機械系統提供動力。
流體中粒子的隨機且無處不在的運動，稱為布朗運動，表面上為永動機提供了一條誘人的途徑。在布朗棘輪的經典理論模型中，一個槳輪連線到一個機械棘輪，該棘輪將其旋轉限制在一個方向，例如順時針方向。當槳輪周圍的熱波動足以將其向順時針方向推動時，棘輪會咔噠一聲，從而實現系統的定向旋轉。但是，討厭的熱力學第二定律介入，禁止從平衡狀態下的這種波動中提取機械功。在布朗棘輪的思想實驗中，驅動槳輪的相同平衡波動也會推動棘輪機構上的制動器，導致它經常失效，從而使其毫無用處。
但這並沒有阻止研究人員追求從隨機運動中獲取定向運動，透過引入使系統失去平衡的能量輸入來遵循熱力學定律。“只要系統處於不平衡狀態，如果系統中存在任何能量流動，它就會移動，”緬因大學物理學家迪恩·阿斯圖米安解釋說，他沒有參與這項新研究。德國奧格斯堡大學的物理學家彼得·漢吉也未參與這項研究，他說，已經設計了幾種不平衡的設定，利用諸如交變電流或磁場之類的輸入。
在新的實施方案中，阿貢國家實驗室、普林斯頓大學和西北大學的研究人員轉向了生物能源：常見的土壤細菌枯草芽孢桿菌。在氧氣和其他營養物質存在的情況下，微小的桿狀細菌會開始遊動。基本上隨機移動的枯草芽孢桿菌為它們前進道路上的任何障礙物提供了漢吉所描述的“隨機速度踢的不平衡來源”。
在與細菌一起的薄流體層中，研究人員放置了這樣的障礙物，其形式是微小的齒輪——直徑僅為380微米——帶有傾斜的齒，以便優先向一個方向旋轉。（一微米是一百萬分之一米。）
西北大學物理化學家研究合著者巴託什·格里博夫斯基表示，在旋轉能力方面，枯草芽孢桿菌比無生命的粒子具有優勢：它們傾向於像魚群一樣成群遊動。儘管該群體的運動基本上是隨機的，但細菌的集體行為使它們能夠利用它們的集體力量來轉動齒輪，在格里博夫斯基及其同事建立的實驗設定中，該齒輪的質量相當於數百萬細菌的質量。“當你們形成群體時，集體行為會集體增加它們一起攜帶的動量，”格里博夫斯基說。“他們齊心協力推動這個齒輪。”
在研究人員的實驗中，大約每立方厘米200億的大量細菌群以每分鐘約1到2轉的速度轉動齒輪。枯草芽孢桿菌群甚至能夠轉動一對有方向偏置的齒輪——一個順時針方向，一個逆時針方向——它們的齒輪相互齧合。更重要的是，格里博夫斯基的團隊可以透過控制細菌的氧氣流量來開關齒輪的運動。
阿斯圖米安稱這項新工作“是一項引人入勝的實施方案”。與此同時，他不確定使用細菌的任何應用是否會立即出現——首先，細菌會用廢物汙染周圍環境，最終死亡。“你去寵物店，看到倉鼠，它們一直在那個輪子上跑來跑去，”阿斯圖米安說。“我想原則上你可以把它連線到一個發電機上，為一個小電燈泡供電。但到目前為止，這種倉鼠驅動的運動還沒有成為家用電器，我認為這種情況也可能同樣遙遠。”
阿斯圖米安是一位自稱的理論家，他對諸如細菌驅動齒輪之類的實驗如何進一步加深我們對最小尺度物理學的理解更感興趣，在這些尺度上，宏觀類比並不總是成立。“這都是關於在一個我們沒有任何直覺的領域建立直覺，”他說。
他的同事漢吉稱使用生物驅動器進行這種布朗型棘輪或電機的概念“是一個非常好的想法，一個很好的實驗”。漢吉樂觀地認為，微機械電機可以透過微生物提供動力——例如，將健康細胞與患病細胞分開。但他很想看看該系統如何響應相反的力——在新的實驗中，齒輪可以自由旋轉。“它實際上並沒有對負載做功，”漢吉說，他強調這項新研究只是一個起點。“這是第一步，”他說，“它為你提供了在生物水平上進行工程設計的所有想法。”