當黛布利娜·薩卡爾想要將她實驗室的新發明命名為“細胞漫遊者”時，她的學生們猶豫了。“他們覺得，‘對於一項科學技術來說，這名字似乎太酷了，’”她說。但麻省理工學院的奈米技術專家薩卡爾希望這個微型裝置的名字能夠喚起人們對未知世界的探索。然而，這個漫遊者將在活細胞內部漫遊，而不是行星表面。
最近的工程進步使科學家能夠將電子裝置縮小到細胞尺度——希望有可能利用它們來探索和操縱單個細胞的內部結構。但是，這樣的漫遊者需要接收指令和傳輸資訊——而與如此微小的裝置進行通訊可能極其困難。“將天線微型化以使其能夠裝入細胞內部是一個關鍵挑戰，”薩卡爾說。問題在於電磁波，大多數傳統天線，如手機中的天線，都使用電磁波來傳輸和接收資料。天線在其所謂的“諧振頻率”下工作效果最佳，諧振頻率出現在波長大致等於天線實際長度時。由於波的速度、頻率和波長之間存在數學關係，波長較短的波具有較高的頻率。不幸的是，亞細胞天線必須非常小，以至於它們需要微波範圍內的頻率。就像廚房微波爐中的波束一樣，這些訊號“只是把細胞烤焦了，”薩卡爾說。但她和她的同事認為他們找到了解決方案。在自然通訊雜誌上發表的一篇論文中，他們描述了一種新的天線設計，它可以透過與聲波而不是電磁波共振，在細胞內部安全地工作。一個功能正常的天線可以幫助科學家為細胞內微小的漫遊感測器供電並與之通訊，幫助他們更好地瞭解這些構建模組，並可能帶來新的醫療方法。
薩卡爾和她的團隊用一種“磁致伸縮”材料——一種在暴露於磁場時會改變形狀的材料——機械加工了他們的實驗天線。研究人員選擇了一種廣泛使用的鐵、鎳、硼和鉬合金，這種組合已經用於其他型別的感測器。當將交流磁場施加到這種磁致伸縮天線上時，其分子的北極和南極會隨著變化的磁場對齊，來回翻轉，從而拉伸材料。這種運動使天線像微型音叉一樣振動。像任何磁性材料一樣，天線也會產生自己的磁場來響應外部磁場，但由於它在振動，因此其運動會以接收器可以檢測到的方式改變其新的磁場。這允許雙向通訊。
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傳統天線和細胞漫遊者之間的關鍵區別在於將電磁波轉換為聲波。“他們的天線共振不是基於光的波長，而是基於聲音的波長，”萊斯大學神經工程師雅各布·羅賓遜解釋說，他沒有參與這項研究。與較大的傳統天線一樣，當波的波長等於其長度時，細胞漫遊者達到其諧振頻率——但刺激此頻率的波是聲波，聲波的傳播速度比電磁波慢得多。由於波的波長和頻率之間的關係也取決於其速度，因此具有相同波長的聲波和電磁波將具有不同的頻率。換句話說，外部磁場可以使用微波範圍之外的頻率的波來向細胞漫遊者發出訊號。“這是一個聰明的方法，”羅賓遜說。
研究人員首先在空氣和水中測試了細胞漫遊者，他們發現天線的工作頻率比同等的電磁天線小10,000倍——足夠低，可以避免殺死活細胞。接下來，該團隊在活體系統中測試了該裝置：非洲爪蟾的卵細胞，一種模式生物。由於細胞漫遊者是由磁性材料製成的，因此研究人員可以使用磁鐵將其拉入每個測試細胞。在這些插入之後，卵細胞在顯微鏡下看起來很健康，並且沒有出現任何洩漏。在卵細胞內部時，細胞漫遊者能夠接收電磁傳輸並向外傳送響應訊號，距離最遠可達一釐米。研究人員還在單個細胞中添加了多個不同尺寸的細胞漫遊者，並發現他們可以區分各個漫遊者的傳輸訊號。
儘管在縮小細胞漫遊者方面取得了進展，但原型本身仍然相對較大。它們的長度剛剛超過 400 微米（0.4 毫米），對於許多細胞型別來說，尺寸還是太大。因此，科學家們計算模擬了比他們測試的天線小約 20 倍的天線的執行情況。他們發現這些假設的漫遊者可以保持相似的通訊範圍——但他們尚未製造出來。羅賓遜說，為了使此類裝置能夠在生物體中工作，還必須增加範圍。“我認為還需要做更多的工作來增加功能，”羅賓遜補充道。“它們目前尚未做任何與生物學相關的事情。”
到目前為止，科學家們僅表明細胞漫遊者在原理上可以工作，他們使用它來發送空訊號；這種型別的傳輸可以被認為有點像電視上的靜電。接下來，他們將嘗試透過為漫遊者配備可以收集和傳遞有關漫遊者周圍環境資訊的微型儀器來確定他們可以觀看哪些“節目”。例如，他們可能會新增一種簡單的聚合物塗層，該塗層會與附近的離子或蛋白質結合。當這些物質粘附在聚合物上時，它們會改變細胞漫遊者的質量，而這反過來又會改變它產生的聲波振動。透過測量這些變化，研究人員可以評估細胞的蛋白質或離子水平。
細胞漫遊者也可能適用於更復雜的應用。將來有可能使用此類裝置來摧毀癌細胞，電改變訊號通路以影響細胞分裂或分化，甚至可以作為其他微型裝置的電源。“我們不僅可以進行細胞內感測和調節細胞內活動，而且可以為奈米電子電路供電，”薩卡爾說。這種微小的電子裝置還可以引導細胞漫遊者進行探索之旅，就像其更大的同名裝置一樣：它們將允許它分析感測器資料並修改細胞環境，而無需科學家的輸入。“它有一天將能夠做出自主決定，”薩卡爾說。“機會是無限的。”