在自然界中，許多微生物可以對(duì)光做出反應(yīng)并表現(xiàn)出一定的趨光性，例如綠藻在弱光下可以主動(dòng)靠近光源獲取能量，強(qiáng)光下又能躲避光源免受傷害。受自然界的啟發(fā)，近年來科學(xué)家發(fā)展了多種能夠趨光運(yùn)動(dòng)的游動(dòng)微納米機(jī)器人，然而，實(shí)現(xiàn)像微生物一樣同時(shí)具有趨光和避光的行為依然極具挑戰(zhàn)。
近日，蘇州大學(xué)董彬教授課題組聯(lián)合中科院物理所楊明成教授課題組和華南師范大學(xué)董任峰教授合作報(bào)道了一種基于氮化碳（C3N4）/聚吡咯納米顆粒（PPyNP）的游動(dòng)微納米機(jī)器人。在光照下，其行為類似于綠藻，其能夠感知光強(qiáng)變化，在低光強(qiáng)下趨光運(yùn)動(dòng)，在強(qiáng)光下避光運(yùn)動(dòng)。這種仿生性的運(yùn)動(dòng)行為主要是由于同時(shí)集成到游動(dòng)微納米機(jī)器人中的兩種協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制（自擴(kuò)散泳和自熱泳）所引起的。更為有趣的是，通過調(diào)節(jié)光強(qiáng)，這兩種機(jī)制之間的協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)可以實(shí)現(xiàn)游動(dòng)微納米機(jī)器人集群在均勻光照下的群體雙向趨避光運(yùn)動(dòng)以及在非均勻光場(chǎng)下的群體渦旋運(yùn)動(dòng)行為。這一研究成果為設(shè)計(jì)具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)行為的游動(dòng)微納米機(jī)器人提供了新思路，也為光驅(qū)動(dòng)微納米機(jī)器人的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
圖1.（A-D）C3N4/PPyNP游動(dòng)微納米機(jī)器人在較弱平行光下（0.4 W/cm2）趨光，中等強(qiáng)度平行光下（0.8 W/cm2）做類似布朗運(yùn)動(dòng)和較強(qiáng)平行光下（1.2 W/cm2）避光的示意圖和軌跡圖。(G-H) C3N4/PPyNP游動(dòng)微納米機(jī)器人在動(dòng)態(tài)調(diào)整光強(qiáng)下（0.4 W/cm2-1.2 W/cm2）往復(fù)運(yùn)動(dòng)示意圖和軌跡圖像（入射光角度為30°）。21
圖2 （a-f）C3N4/PPyNP游動(dòng)微納米機(jī)器人集群在較弱平行光下（0.4 W/cm2）趨光，較強(qiáng)平行光下（1.2 W/cm2）避光和中等強(qiáng)度平行光下（0.8 W/cm2）做類似布朗運(yùn)動(dòng)的示意圖和軌跡圖（入射光角度為30°）。
圖3 (A)在中等強(qiáng)度的發(fā)散光照射下C3N4/PPyNP游動(dòng)微納米機(jī)器人集群渦旋運(yùn)動(dòng)示意圖和(B)對(duì)應(yīng)的疊加光學(xué)顯微鏡圖像。(C)在渦旋運(yùn)動(dòng)過程中不同位置的四個(gè)游動(dòng)微納米機(jī)器人的代表性軌跡和(D)和距離渦旋中心不同距離的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的線速度。(E)在中等強(qiáng)度發(fā)散光束內(nèi)不同位置的游動(dòng)微納米機(jī)器人感受到不同局部光強(qiáng)示意圖。(F)中等強(qiáng)度發(fā)散光光束內(nèi)游動(dòng)微納米機(jī)器人渦旋運(yùn)動(dòng)的模擬視頻截圖。
該成果以“Bioinspired micro/nanomotor with visible light energy-dependent forward, reverse, reciprocating, and spinning schooling motion”為題發(fā)表在PNAS上。
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