1959 年诺贝尔奖获得者理查德 · 费曼提出：「吞下外科医生」将是一件有趣的事情，即制造一个微型机器人，该机器人可以在需要的时候在血管中穿梭以进行一些手术治疗。这种对未来的标志性想象突出表现了对微米级机器人技术领域的现代期望：将自动化设备部署在其大型同类产品无法到达的环境中。
选为封面论文
纤毛泵是微观世界中最重要和普遍存在的流体输送方法之一，这些微小的毛发通过有节奏的跳动来移动液体，负责推动大脑中的脑脊液，清除肺部的痰和污垢，并保持器官和组织的清洁。然而，设计可广泛采用的人造纤毛平台具有挑战性。一些开创性的研究已经证明了制造人造纤毛的方法，该方法基于压力、光、静电和磁相互作用的驱动；然而，这些系统有严重的局限性。例如，由压力驱动或光学驱动的纤毛进行局部驱动在微尺度上实施具有挑战性。此外，没有明确的途径将它们与移动微型机器集成，同时保持局部驱动。静电驱动的纤毛已被证明是一种快速抽吸和混合的强大方法。然而，迄今为止展示的致动器是由大电压驱动的。这种大电压使它们与用于不受束缚的控制的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电子设备不兼容。此外，由于在大约 1.2 V 以上的电压下水解，它们不能在水溶液中操作。最后，用磁响应材料制造人造纤毛令人兴奋。不同的小组已经展示了泵送、异时波和混合的方法。然而，在这样的磁性系统中，很难定位驱动或原位改变纤毛的磁化以重新配置流动。因此，为了在工程系统中广泛采用这种运输方法，仍然迫切需要开发新型人工纤毛平台。
鉴于此，来自康奈尔大学的Itai Cohen教授课题组设计了一种微型合成纤毛系统，该系统利用铂基组件可以控制微观尺度上的流体运动。具体而言，研究人员报告了电子驱动人造纤毛的活性超表面，它可以在表面附近的液体中产生任意流动模式。他们首先创建了电压驱动的纤毛，它产生单向运动，可以在1V的驱动电压下以每秒数十微米的速度驱动表面流动。然后，利用纤毛单位单元在本地创建一系列元素流动几何形状。通过组合这些单位单元，他们创建了一个活跃的纤毛超表面，可以生成并在任何所需的表面流动模式之间切换。最后，研究人员将纤毛与光能互补金属氧化物半导体(CMOS)时钟电路集成，演示了无线操作。作为概念验证，作者使用该电路输出具有各种相位延迟的电压脉冲，以证明使用异时波提高了泵浦效率。相关研究成果以题为“Cilia metasurfaces for electronically programmable microfluidic manipulation”发表在最新一期《Nature》封面。中国留学生Wei Wang为第一作者。
第一作者：Wang Wei
实际上，早在2020年，康奈尔大学的两位教授 Itai Cohen 和 Paul McEuen 以及宾夕法尼亚大学电子与系统工程系助理教授 Marc Miskin就设计了微型致动器，它能够将能量转换为运动动力。相关研究成果以题为“Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots”发表在《Nature》期刊上。只需施加少量电流，该致动器就可以折叠和展开。此外，电流会导致周围溶液中的离子吸附到致动器表面，从而改变了机器人腿部的应力，进而使其弯曲。研究者使用与制造计算机芯片相同的纳米制造技术来构造这些致动器。
今天发表的成果是建立在一个铂基电动致动器——该设备的移动部分——该团队之前创建的使微型机器人能够行走。那些弯曲的机器人腿的力学是相似的，但纤毛系统的功能和应用是不同的，而且相当灵活。
纤毛以 2 Hz 的频率驱动（比例尺：50μm）。
【微型系统】
一个典型的设备由一个芯片组成，该芯片包含16个方形单元，每个单元有8个纤毛阵列，每个阵列有8个纤毛，每个纤毛长约50微米，从而形成约1000个人造纤毛的“地毯”。随着每个纤毛上的电压振荡，其表面会周期性地氧化和还原，这使得纤毛来回弯曲，使其能够以每秒数十微米的速度泵送流体。不同的阵列可以独立激活，因此可以创建无限组合的流动模式，模仿在其生物对应物中观察到的灵活性。
图 1. 基于表面电化学驱动器的人造纤毛
图 2. 纤毛单元产生的基本流动模式
图 3. 纤毛超表面能够产生任意和可切换的微流体流
【器件】
该团队创建了一种纤毛设备，该设备配备了互补金属氧化物半导体 (CMOS) 时钟电路——本质上是一个电子“大脑”，它允许纤毛在不受传统计算机系统束缚的情况下运行。这为开发一系列可以在现场进行的低成本诊断测试打开了大门。可以想象，在未来，人们会拿着这个微小的厘米设备，在上面滴一滴血，然后进行所有的化验。人们不需要花哨的泵，不需要任何设备，只要把它放在阳光下就可以了。它的成本可能在 1 到 10 美元之间。
图 4. CMOS 集成人工纤毛阵列不受束缚控制产生的异时波
【小结】
总的来说，本文介绍的实验和模拟预测了使用这种人造纤毛平台在水介质中实现无束缚控制和任意可切换微流体操作的良好前景。例如，带有集成传感器的光学供电 CMOS 电路可用于测量周围流体的化学、光学和热状态，以便选择适当的微流体操作。因此，作者设想在不久的将来纤毛超表面可以在简单暴露在阳光下的轻型设备中实现大量流体应用。