一根微小的細胞毛髮（稱為纖毛）的輕微擺動本身可能作用不大。但這些結構共同作用，通常在體內創造生物奇蹟。纖毛清除呼吸道吸入的病原體，將腦脊液輸送到腦腔，將卵子從卵巢輸送到子宮，並將粘液從耳中輸送到鼻腔。這些微小的細胞外細胞器對體內維持生命的液體施加精確的微流體控制。為了更好地瞭解這些至關重要的自然奇蹟是如何運作的，科學家們多年來一直試圖模仿它們。
現在，研究人員已經接近實現這一目標，他們創造了一種覆蓋著人工纖毛的晶片，可以精確控制微小流體的流動模式。開發人員希望這項技術將成為新型行動式診斷裝置的基礎。目前，許多診斷實驗室測試耗時、資源密集，並且需要密切的人工支援。研究人員表示，覆蓋纖毛的晶片可以實現現場測試，這將比基於實驗室的測試更簡單、更便宜、更高效，並且可以使用更少量的血液、尿液或其他測試材料樣本。
人類已經取得了壯觀的大規模工程壯舉，但“在工程微型機器方面，我們仍然有點停滯不前”，康奈爾大學物理學家、描述其團隊纖毛晶片的《自然》雜誌新研究的資深作者伊泰·科恩說。研究人員此前曾嘗試製造透過壓力、光、電甚至磁鐵工作的人工纖毛。但一個主要的障礙仍然存在：設計極其微小的致動器（機器的運動觸發部件），這些致動器可以單獨或成小簇而不是一次性全部控制。
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康奈爾大學的研究人員透過從他們早期工作中吸取的一些經驗教訓克服了這一障礙。2020 年 8 月，吉尼斯世界紀錄認可了科恩及其團隊設計的世界最小的步行機器人，這臺機器只有千分之一毫米寬，可以在四條可彎曲的腿上行走。與這些腿非常相似，新型人工纖毛由可彎曲的奈米薄膜製成，可以響應電控制。每個纖毛的長度為二十分之一毫米（不到塵蟎長度的一半），厚度為 10 奈米（比最小的細胞器還薄），一側有一條鉑條，另一側塗有鈦膜。
電控制這些人工纖毛的關鍵在於它們的金屬成分。透過纖毛施加低正電壓會觸發化學反應：當一滴測試液流過時，帶電的鉑會分解液滴內的水分子。這釋放出氧原子，氧原子被吸收到鉑的表面。新增的氧氣會拉伸條帶，使其向一個方向彎曲。一旦電壓反轉，氧氣就會從鉑中排出，纖毛恢復到原來的形狀。“因此，透過來回振盪電壓，您可以彎曲和展開條帶，這將產生波浪來驅動運動，”科恩說。同時，電惰性鈦膜穩定了結構。
接下來，研究人員必須弄清楚如何在表面上排列數千個他們的人工纖毛。透過簡單地一個接一個地彎曲和展開，這些細條可以沿設定方向驅動微量的流體。但是為了引導液滴以更復雜的模式流動，研究人員必須將晶片表面分成可單獨控制的纖毛組。康奈爾大學團隊首先在虛擬環境中規劃了一個控制系統，與劍橋大學的研究人員合作，以三維數字模擬液滴如何在覆蓋纖毛的晶片上移動。
研究人員使用這些計算機模擬來檢驗他們正在進行的理論方面之後，他們繼續生產物理裝置。他們釐米寬的晶片上鋪滿了數百條微小的鉑鈦條，分為 64 個陣列，每個陣列有 8 個纖毛。由於每個陣列都是獨立可控的，因此可以單獨程式設計各個單元，然後進行協調以將測試流體沿任何給定方向移動。陣列協同工作，可以產生近乎無限的流動模式組合。
該團隊的第一個裝置可以驅動液滴以特定模式流動，但其效率不如研究人員希望的那樣高。他們現在已經在計劃使用具有多個“鉸鏈”的纖毛的下一代晶片。科恩說，這將賦予它們更多的彎曲能力，“這可以使流體的流動更加高效”。
香港城市大學微流體研究員王鑽開（未參與這項新研究）表示，這項研究“優雅地啟發了我們，如何透過電子訊號實現人工纖毛陣列的獨立、可定址控制，從而產生複雜的可程式設計微流體操作”。“希望在未來幾年內，可以實現不受束縛的低成本診斷裝置的大規模生產。”
由於這項新技術模仿了生物結構，因此將其用於醫療應用是有道理的。研究人員設想，覆蓋纖毛的晶片可以作為診斷裝置的基礎，該裝置可以測試任何水、血液或尿液樣本，以查詢汙染物或疾病標誌物。使用者將一滴血液或尿液放在晶片上，人工纖毛會將樣本以及其中的任何化學物質或病原體從一個位置輸送到另一個位置，使其在移動過程中與各種測試劑混合並反應。內置於晶片中的生物感測器將測量這些化學反應的產物，然後指示纖毛進一步操縱液體的流動，從而使晶片能夠執行額外的測試以確認結果。“透過這種方式，您可以在釐米大小的晶片上完成通常在化學實驗室中發生的所有化學實驗，”科恩解釋道。“該晶片也可以自行執行，因為它可以使用安裝在晶片本身上的小型太陽能電池板。”這種自供電裝置非常適合在現場使用。
利哈伊大學材料科學家馬諾伊·喬杜裡（未參與這項新研究）表示：“他們將微電子學與流體力學相結合的方式非常出色。”喬杜裡說，研究人員已經解決了一個基本問題，但要將由此產生的產品變為現實還需要進一步努力。“當他們設計用於分析一滴血液的反應器系統時，必須有區域性站點，他們甚至可能需要在這些站點加熱或冷卻樣本，”他說。“因此，看看他們如何將所有這些方面整合到微型反應器中將會很有趣。”
編者注（2022 年 7 月 26 日）：本文在釋出後經過編輯，更正了對物理測試晶片上可控纖毛組和鉑鈦條的描述，包括纖毛、陣列和條帶的數量。
本文的標題為“微流”，經過改編後收錄在 2022 年 9 月的《大眾科學》雜誌中。