近日，來自斯圖加特馬克斯?普朗克智能系統研究所（MPI - IS）的研究團隊取得一項令人矚目的成果，他們成功研發出一種覆蓋磁性材料的生物雜交微型藻類機器人，其游泳能力在材料涂層的情況下幾乎不受影響，在靶向藥物遞送等生物醫學領域展現出巨大的應用潛力。相關研究成果發表于涵蓋廣泛材料科學研究的《Matter》雜志。

自然界中，單細胞微藻體型僅 10 微米，卻堪稱游泳高手，憑借前端兩根鞭狀結構，能夠靈活游動。然而，當在其表面覆蓋一層由天然聚合物殼聚糖（增強附著力）與磁性納米顆粒混合而成的物質后，它們的運動表現會如何？能否在狹小空間內自如穿梭，甚至在類似黏液的高粘性液體中前進？這些問題一直困擾著科研人員。

研究人員發現，以綠藻為基礎制造的微型藻類機器人，幾乎未受額外負載的影響。藻類依靠類似蛙泳動作的鞭毛，如離弦之箭般向前彈射。即便經過磁化處理并覆蓋材料，它們仍能保持每秒 115 微米（約每秒 12 個身體長度）的平均游速。對比之下，像邁克爾?菲爾普斯這樣的奧運游泳健將，速度也僅能達到每秒 1.4 個身體長度，而藻類只是單細胞生物，沒有腿腳。

該研究的共同領導者，MPI - IS 物理智能部門的比爾居爾?阿科爾波格魯和薩阿德特?法特瑪?巴爾塔奇，早年曾探索基于細菌的微型游泳器在流體空間中的磁控藥物遞送應用。如今，他們將目光轉向微藻，希望通過在單細胞生物表面附著磁性材料，使其能按期望方向游動，進而將微藻轉變為微型機器人。

研究人員給微藻細胞涂覆磁性納米顆粒的過程僅需幾分鐘，最終十分之九的藻類成功完成覆蓋。團隊首先在水狀稀液中測試微型藻類機器人的游動能力。借助外部磁場，他們能夠控制微藻的游動方向。隨后，研究人員讓機器人沿著微型 3D 打印圓柱體游動，模擬出最大尺寸僅為微藻三倍的高度受限環境。為驗證操控效果，團隊設置了兩種系統，分別利用顯微鏡周圍的電磁線圈和永磁體產生均勻磁場，并反復改變磁場方向。

論文的共同第一作者比爾居爾?阿科爾波格魯介紹：“我們發現，藻類生物雜交體在 3D 打印微通道中有三種導航方式：回溯、交叉和磁性交叉。沒有磁場引導時，藻類常被困住并退回起點；而在磁場控制下，它們游動更順暢，能夠避開邊界。磁場引導幫助生物雜交體與磁場方向對齊，這在狹小空間導航中展現出極大潛力，就像是給它們配備了微型 GPS！”

為進一步探究機器人在復雜環境中的性能，研究團隊增加了液體的粘度，并再次讓微型機器人在狹窄通道中穿梭。薩阿德特?法特瑪?巴爾塔奇補充道：“我們想測試機器人在類似黏液環境中的表現。研究發現，粘度會影響藻類生物雜交體的游動，較高的粘度會降低它們的速度并改變前進方式。施加磁場時，機器人會發生振蕩，呈之字形前進。這表明通過微調粘度和磁場對齊方式，可以優化微型機器人在復雜環境中的導航能力。”

研究團隊表示：“我們希望將這些微型機器人應用于人體組織等高度受限的復雜狹小環境中。此次研究成果為靶向藥物遞送等應用開辟了新途徑，為醫學治療提供了生物相容性解決方案，有望推動生物醫學及相關領域的創新發展。”

參考資料：DOI： 10.1016/j.matt.2025.102052