Когда исследователи из университета Sapienza Universita di Roma вносят каплю жидкости, внутри которой находятся тысячи генетически модифицированных бактерий вида E.Coli, на матрицу с множеством микродвигателей, эти двигатели начинают вращаться в заданном направлении и с заданной скоростью. Некоторые из бактерий попадают своей передней частью в специальное микроуглубление на колесе двигателя и движениями своих жгутиков они заставляют вращаться колесо, словно вода, вращающая колесо водяной мельницы.
«Комбинируя количество, расположение и форму микроуглублений на роторах, мы можем делать «биологические двигатели», обеспечивающие заданное направление, скорость и усилие вращения» — рассказывает профессор Роберто Ди Леонардо (Roberto Di Leonardo), — «При этом, движением каждого двигателя можно управлять индивидуально при помощи света, который и является основным источником энергии».
Жидкость с бактериями, используемая в данном случае, называется «активной жидкостью» из-за некоторого количества заключенной в ней энергии механического движения. Использование таких активных жидкостей в качестве «топлива» для микродвигателей требует технологии, позволяющей направлять движение всех или большей части бактерий в одном заданном направлении.
В данном случае направление движения бактерий задается формой и расположением микроуглублений в роторе двигателя. Эти микроуглубления направлены под углом 45 градусов к оси двигателя, что позволяет получить максимальный вращательный момент. Помимо этого, каждый микродвигатель устанавливается в частично изолированной области, а каналы, через которые бактерии проникают в эту область, направлены так, чтобы бактерии сразу же попадали внутрь незанятых микроуглублений ротора двигателя.
Проведенные эксперименты показали, что скорость вращения и вращательный момент прямо пропорциональны количеству пойманных в ловушки микроуглублений бактерий. А максимальная скорость, с которой могут вращаться такие «бактериальные двигатели» составляет 20 оборотов в минуту.
Но не только конструкция самого двигателя является ключевым моментом данной технологии. Не менее важную роль играют в этом деле и сами бактерии. Проведенная генная модификация снабдила обычные бактерии вида E.Coli так называемым фотохимическим протонным насосом. Этот насос при помощи энергии фотонов света создает внутри бактерии электрохимический градиент (потенциал), наличие которого заставляет бактерию двигаться интенсивней. Освещая микродвигатели светом с определенной интенсивностью, исследователи могут управлять скоростью вращения двигателя.
Для создания сложных миниатюрных систем будет требоваться синхронное вращение с заданной скоростью всех ее микродвиателей. Такая синхронизация возможна благодаря наличию алгоритма обратной связи, реализованного путем освещения всех двигателей однородным потоком света раз в 10 секунд. Такой подход позволяет измерить скорость вращения каждого двигателя и рассчитать силу потока света, необходимого для вращения каждого из двигателей строго на заданной скорости.
«Такие микродвигатели смогут в будущем приводить в движение микроботов, элементы миниатюрных биомедицинских лабораторий, которые выполняют функции сбора и сортировки отдельных клеток, и многое другое» — рассказывает Роберто Ди Леонардо.
