在一个微小的进步可以推动宏观转型的世界里，荷兰埃因霍温理工大学和德国马克斯·普朗克智能系统研究所之间的合作完成了一个开创性的发现。研究团队成功创建了能够在微尺度工作的人工纤毛(Cilia)——头发状附属物，对几种微生物至关重要。正如《美国国家科学院院刊》所概述的那样，他们的研究将对多个部门产生重大影响，特别是在微流体领域。

什么是纤毛？

    纤毛是微小的附属物，一种微小的实体用于在流体中导航。效率非常高，一些微生物，如草履虫属微生物（paramecia），可以借助纤毛以令人印象深刻的速度移动，有时高达每秒长度的10倍。在广阔的人体中，纤毛在肺部起着至关重要的作用，在那里它们清除粘液并确保呼吸功能光滑。

最新研究进展

    尽管复制这些微小动力站进行应用的愿望并不新鲜，但长期以来，科学家们一直面临着在微观尺度上复制功能性纤毛的艰巨挑战。最近的研究破解了这个谜团，产生了有史以来第一个如此小规模的人工纤毛。

    这一成就背后的秘密在于磁化。通过磁化羰基铁纤毛（carbonyl iron cilia），研究人员以集体方式操纵了这些结构，类似于在体育赛事中看到的观众协调制造的起伏波浪。这种受控运动只是通过在它们附近移动磁铁来获得的。然后，该团队对这些磁化链进行了小型化，通过略微调整磁场的控制机制实现了类似的协调运动

    但创新并没有止步于此。该团队通过在磁性人工纤毛（ magnetic artificial cilia, MAC）下方集成顺磁子结构，在该方法中引入了宏观移动（paramount shift）。这个突破性的概念能够产生波状运动或元时运动（metachronal motion），即使每个MAC都相同，并应用了均匀的磁场时也可以。这种巧妙的方法绕过了对复杂外部磁场的需求，这在之前的研究中是一个重大障碍。

    此外，通过允许 symplectic 和 antiplectic 元时运动，人工纤毛的多功能性得到了增强。仅仅通过调整MAC及其子结构的相对定位就实现了这种多功能性。

该研究的进步之处

    这项研究与之前的研究截然不同，标志着该领域的巨大飞跃。几个功能突出了其优越性：

1.小型化：该方法允许MAC缩小到数十微米长——这是实现生物尺寸人工纤毛的革命性进步。

2.简化磁控：人工纤毛可以用均匀的外部磁场控制，消除了对复杂的磁场变化的需求，这在早些时候带来了重大挑战。

3.多功能性：该研究允许symplectic 和 antiplectic 元时运动，为其应用提供了更大的灵活性。

4.没有复杂的外部连接：MAC系统不需要复杂的物理连接，允许它无缝集成到不同的应用中而不受干扰。

潜在应用

鉴于纤毛在自然环境中运行的效率，复制此功能可以有许多应用：

1.医疗保健：在医疗微设备中，MAC可能用于模拟睫状功能（ciliary function），协助药物输送，甚至开发先进的呼吸辅助设备。

2.环境监测：MAC集成的微流体设备可以检测水中的病原体或污染物，有助于实时监测和快速响应。

3.化学和生物实验室：在微观上操纵流体的能力对实验室来说非常宝贵，可以进行更快、更高效的分析。

论文：Zhiwei Cui et al, Miniaturized metachronal magnetic artificial cilia, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023)

可能的国内相关研发机构：中国农业大学，南京航空航天大学机电学院，大连理工大学化学工程研究所

国内相关企业：上海澎赞生物科技有限公司，苏州汶颢微流控技术股份有限公司，微纳立方科技（北京）有限公司