纖毛也能做晶片！康乃爾華人博士生一作登Nature封面

搞晶片，最重要的環節是什麼？

除了用更先進的製造製程帶來更大的電晶體密度，獲得更大的算力之外，對晶片內部訊號的傳輸和控制也是必不可少的一部分。

「纖毛晶片」，了解一下？

當然，首先來看看纖毛是做什麼的。

纖毛，可以說是生物體中最勤奮的信差和傳話人，更直接點說，就是液體的最靈活的「搬運工」。

這些纖細的毛髮透過有節奏的跳動來搬運生物體內的液體，包括大腦中的腦脊髓液，清除肺部的痰和污物，保持其他人體器官和組織的清潔。

多年來，人們一直希望能夠在運算和控制領域吸收，或者說「借鑒」纖毛的神奇能力。

但在微觀層面。複製這個生物體中的「奇蹟」的難度是非常大的。過去幾年，光、磁和電驅動的研究已經取得了不少進展，但在工程上具備應用價值的「纖毛驅動」平台仍然難以實現。

現在，這個困難被康乃爾大學的一群研究人員解決了。

他們設計了一個微型的人工纖毛系統，使用基於鉑金的零件，可以在微觀尺度下利用纖毛控制液體的運動。未來，有可能實現低成本、可攜式的診斷設備，用於測試血液樣本、操縱細胞活動或協助微加工過程等。

目前，刊登這項研究的論文已經發表在最新的Nature上，論文一作為華人博士生Wang Wei（上圖），二作為華人博士後Liu Qingkun，目前論文被引用數超過2300次，H指數為24。

Wang Wei表示，目前已經有許多方法可以製造由光、磁或靜電力驅動的人工纖毛，但我們是第一個使用新奈米致動器來實現可單獨控制的人工纖毛的團隊。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04645-w.pdf

在Nature這篇論文中，研究人員建構了電子驅動人造纖毛的活性超表面，並在表面附近的液體中能夠產生任意流動模式。

研究人員首先建構了電壓驅動的纖毛，在1 伏的驅動電壓下以每秒數十微米的速度做單向運動，以驅動表面流動。纖毛單位細胞可以在局部產生一系列的元素流動並構成不同幾何形狀。

基於表面電化學執行器的人工纖毛

透過組合這些單位單元，研究人員創建了一個活躍的纖毛超表面，可以產生任何所需的流動模式，並在這些模式之間靈活切換。

這些結果，最終透過實驗和理論計算得到了證實。

研究人員表示，這些結果為未來精細尺度微流體操縱開闢了一條新路，從微流體泵送到微機器人運動都能進行應用。

人工纖毛的顯微鏡視圖

#具體來說，典型的「纖毛晶片」包含16個方形單元，每個單元有8個纖毛陣列，每個陣列有8個纖毛，每個纖毛約50微米長，從而形成一個由大約1000根人造纖毛組成的「地毯」。

對每根纖毛加以震盪電壓，其表面會發生週期性的氧化和還原，使纖毛來回彎曲，以每秒幾十微米的速度泵送流體。

不同纖毛陣列可以被獨立激活，因此可以產生無窮無盡的流動模式和路線，和纖毛在生物體內的靈活性幾乎不相上下。

這項研究由論文通訊作者、康乃爾大學物理學教授Itai Cohen領導，建立在一個鉑金基底的電動執行器上，作為纖毛設備的核心組件。

Cohen的團隊之前打造了一個讓微型機器人實現行走的類似系統。實際上，讓微型機器人「彎腿」力學原理和這個研究很相似，但纖毛系統的具體功能和應用是不同的，而且相當靈活。

#纖毛單元產生的多種流動路線

Cohen表示， 「一旦你能單獨處理這些纖毛，你就能以任何你想要的方式精確操縱和控制這些流體。可以創建多個獨立的運動軌跡，實現環形流動，或者分裂成兩條路徑，然後在兩路合一。水中工作的、可電處理的、可與有趣的電子裝置集成的纖毛，一直是非常困難的。 」他說。

另外，研究團隊還開發了一個配備CMOS時脈電路的纖毛裝置，實際上就是一個「電子大腦」，使纖毛能夠不被傳統計算機系統束縛下運行，也為開發一系列可在現場進行的低成本診斷測試打開了大門。

Cohen表示，可以想像，在未來，人們拿著這個1厘米見方的小設備，只要滴一滴血在上面，就能進行所有的檢測。不用再用什麼泵，也不用任何其他設備，只要把它放在陽光下，它就會工作，成本可能只有1到10美元左右。

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