在《物理评论快报》的一项新研究中，科学家展示了一种利用电场和流体流动来控制人造微型游泳器的方法。这些微小液滴可以为靶向药物输送和微型机器人铺平道路。

在自然界中，藻类和细菌等生物游泳者能够根据外部刺激(如光或电)改变其运动(或游泳)方向。生物游泳者根据电场改变方向的能力被称为趋电性。

能够对外界刺激作出反应的人工游泳者对于靶向药物输送应用非常有用。在这项研究中，研究人员选择模拟对电场作出反应的人工游泳者。

Phys.org 采访了这篇论文的合著者：印度理工学院海得拉巴分校助理教授 Ranabir Dey 和特温特大学副教授 Corinna Maaß。两人都曾在马克斯·普朗克动力学与自组织研究所工作，这项研究就是在那里开始的。

在谈到这项研究的动机时，戴伊教授说：“驱动主动、内在运动的物理学非常丰富，与控制被动、外部驱动物质的物理学不同，我们发现了许多复杂甚至违反直觉的现象。”

Maaß教授补充道：“在简单的模型系统中发现这种效应背后的工作原理可以帮助我们理解和控制更复杂甚至是生物的系统。”

人工游泳者

人工游泳者主要分为两类，一类是活性胶体(又称Janus粒子)，一类是活性液滴。之所以被称为“活性”，是因为它们能对刺激作出反应而移动。

双面粒子以罗马神话中的双面神雅努斯命名，具有两个不同的表面，具有不同的化学或物理特性。这种设计使这些表面具有不对称性，以实现自我推进。例如，一面可能吸引水，而另一面则排斥水。

然而，Janus 粒子需要特殊材料、外部刺激才能移动，并且存在不对称并发症。研究和使用它们可能具有挑战性。

而主动液滴的结构则简单得多，它们是悬浮在水溶液中的油基液滴，不需要外界刺激就能自行推进，而是依靠内部反应。

可以利用电场等外部刺激来改变它们的运动，使它们在微通道等密闭环境中非常有用，微通道是芯片实验室设备和微流体系统中经常使用的狭窄通道。

人造游泳器的电趋性研究不足，特别是在涉及流动液体的密闭空间(如微通道)中。电趋性与其他趋性相比具有优势，例如能够立即开启和关闭，调整游泳器的运动方向和速度，并且还可以扩展以在短距离和长距离内运行。

生物游泳者可以自然地对细胞边界或组织结构之间的电位差产生的电场做出反应。然而，人造游泳者却不会，必须经过设计才能做到这一点。

微通道中的活性液滴

研究人员的目的是研究活性液滴如何响应密闭微通道中的外部电场。

“游泳者必须通过与系统边界的互动来与当地环境之外的世界进行交流。想象一下引导游泳者沿着水道游泳——人们可能希望避免游泳者撞到或粘附在墙壁上，将其重新定位到特定方向，或留在特定区域，”马斯教授解释说。

Dey 教授补充道：“通过选择适当的值来改变通道中外部施加的流量和电场，我们可以为各种各样的游泳者设计这种装置。”

研究人员使用含有一种名为 CB15 的化合物(常用于活性液滴研究)的油滴与表面活性剂混合。这些液滴被放置在微通道中，末端放置电极以施加电场。这些液滴的半径约为 21 微米。

除了电场之外，研究人员还可以控制流体流动，即压力，以实现更全面的控制。电压最高可达 30 伏。

为了分析活性液滴的轨迹，研究人员使用了视频跟踪和粒子图像测速技术，可以测量流体流动的速度。

此外，他们还开发了一种流体动力学模型，该模型结合了液滴的表面电荷、运动方向、流动相互作用和电场方向来预测电动力学。

控制流动和电场

实验发现，液滴对变化的电场表现出一系列反应。研究人员观察到，当电场阻碍液滴运动时，活性液滴会掉头。他们还注意到，液滴的速度会随着电场强度的增加而增加。

通过控制电场和液流，研究人员可以控制液滴的精确运动。这被称为电流变性。

当电场阻碍液滴的流动时，液滴的振荡运动就会减弱，研究人员就能实现稳定的中心线游动。

当电场与液滴流动方向一致时，研究人员能够通过改变振荡保持逆流游动。在高电压下，液滴将切换到顺流游动，沿着微通道壁游动。

流体动力学建模揭示了液滴在电场中运动的原因。他们发现这些液滴带有固有电荷，这会影响它们在暴露于电场时的运动。

他们进一步发现，由于通道壁与周围流体动力学的相互作用，通道壁也会影响液滴的运动。观测数据与研究人员的流体动力学模型的预测非常吻合。

“我们证明，调整两个参数(流量和电场)可以获得不同数量的运动状态，包括上游振荡、壁面和中心线运动以及运动反转(掉头)，”Dey 教授说。

潜力更大

研究表明，简单的液滴可以模拟复杂的生物行为，这使其成为生物医学应用非常有前景的途径。

电场和压力驱动流是现成的方法，这使得该应用极具吸引力。

在讨论潜在应用时，马斯教授表示：“由于这些指导原则适用于狭窄环境中任何带有表面电荷的游泳者，因此它们可用于引导医疗应用、芯片实验室或生物反应器场景中的运动细胞，以及在运动载体(如微反应器或智能传感器)的设计中。”