一群由绿藻和纳米颗粒构成的活体微型机器人,能在蓝光下自行聚成各种预设形状,又在红光中瞬间解散。这项研究为未来将药物精准递送至伤口或病灶提供了一条全新的生物混合路径。
研究团队以莱茵衣藻这种绿色微藻为基础,构建了可实时改变形状、尺寸和位置的可重构集群。通过定制掩模投射图案化蓝光,研究人员引导藻类形成从星形、箭头到大陆轮廓等各种紧密排列的结构。红光则逆转这一过程,集群迅速解体,藻类恢复自由游动状态。研究人员表示,这一方法为在医疗和环境应用中控制生物混合微型机器人的集体行为提供了新手段。
该研究还展示了一项AI辅助伤口治疗概念。研究人员利用图像分割软件识别可疑伤口区域并生成匹配的光掩模图案,随后将微型机器人预先组装到医用胶带上,再释放至目标伤口区域。
与依赖磁铁或声波的合成微型机器人不同,这套新系统直接利用了藻类天然的趋光特性。在蓝光下,微生物聚集成群并朝液-气界面迁移,形成致密集群;红光则将其切换回自由游动状态。研究人员在多个循环中展示了可逆的集群形成与解散过程,形状保真度得分超过0.95。这些集群还能分裂为更小群组、重新融合,并在移动中保持几何结构。
在一项实验中,团队将形似美洲和亚欧非大陆轮廓的掩模投射到盛有藻类的培养皿上,几分钟内即形成与投射区域相匹配的集群。在另一项测试中,箭头状集群在保持形态的同时移动了数毫米。研究人员还开发了一套概率算法,用于预测集群在不同光照条件下的行为,模拟单个藻类如何根据照射波长和强度加入或离开集群。
为探索医疗应用,团队通过静电作用将负载药物的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)纳米颗粒附着在藻类上。随后,这些生物混合微型机器人在涂有人造伤口液的模拟皮肤伤口上接受测试。AI图像分割系统分析伤口并生成匹配炎症或感染组织区域的定制掩模。在蓝光下,微型机器人在医用胶带上按伤口的精确几何形状完成组装。
胶带覆盖目标区域后,红光触发微型机器人快速释放。研究人员报告称,近90%的生物混合体在两分钟内转移至伤口腔内。团队同时指出,由于光在组织中的穿透力有限,该技术目前仍局限于体表应用。未来工作将聚焦于为微型机器人装载治疗性药物,并在活体系统中进行验证。
相关研究成果已发表于《科学进展》期刊。
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