(Phys.org) —När forskare lägger ner en droppe vätska som innehåller tusentals frisimmande, genetiskt konstruerad E coli på en rad mikromotorer, inom några minuter börjar mikromotorerna rotera. Några av de enskilda bakterierna har simmat huvudet först in i en av de 15 mikrokamrarna etsade på ytterkanten av varje mikromotor, och med deras flagella utskjutande utanför mikrokamrarna, tillsammans gör simmande bakterier att mikromotorerna roterar, något liknande hur en flödande flod roterar en vattenkvarn.

Forskarna, ledd av Roberto Di Leonardo, en fysikprofessor vid Sapienza Università di Roma och vid NANOTEC-CNR, både i Rom, har publicerat ett papper om de bakteriedrivna mikromotorerna i ett senaste nummer av Naturkommunikation .

"Vår design kombinerar en hög rotationshastighet med en enorm minskning av fluktuationer jämfört med tidigare försök baserade på vildtypbakterier och plana strukturer, "sa Di Leonardo." Vi kan producera stora uppsättningar av oberoende styrda rotorer som använder ljus som den ultimata energikällan. Dessa enheter kan en dag fungera som billiga och engångsaktuatorer i mikrorobotar för att samla och sortera enskilda celler inuti miniatyriserade biomedicinska laboratorier. "

En vätska som den som används här, som innehåller stora mängder simmande bakterier, kallas en "aktiv vätska" på grund av den mekaniska energi den innehåller. För att aktiva vätskor ska kunna användas som bränsle för framdrivning av mikromaskiner, bakteriernas störda rörelse måste kontrolleras så att alla (eller de flesta) av bakterierna rör sig i samma riktning.

Detta är i princip vad mikromotorerna gör. Mikrokamrarna längs kanterna på varje mikromotor lutas i en vinkel på 45 °, vilket maximerar det totala vridmoment med vilket bakterierna kan få motorerna att rotera. I sin design, forskarna byggde också en radiell ramp med strategiskt placerade barriärer som leder badbakterierna in i mikrokamrarna. I experiment, forskarna fann att en mikromotors rotationshastighet ökar linjärt med antalet fångade bakterier, och de kunde enkelt uppnå rotationshastigheter på 20 varv per minut.

Ett annat viktigt krav för någon bakteriedriven mikromotor är förmågan att kontrollera mikromotorns rörelse. Att göra detta, forskarna genetiskt modifierade E coli stam att uttrycka en ljusdriven protonpump som kallas proteorhodopsin som använder fotonergi för att pumpa protoner mot den elektrokemiska gradienten, vilket ökar bakteriens simningshastigheter. Genom att belysa de bakteriedrivna mikromotorerna med olika ljusintensiteter, forskarna kunde då styra mikromotorernas hastighet.

För att dessa system ska kunna användas i praktiska tillämpningar, Det är också viktigt att alla mikromotorer i en array har medelhastigheter som är enhetliga och har små fluktuationer. Med hjälp av en feedbackalgoritm som enhetligt belyser systemet var 10:e sekund, forskarna visade att mikromotorerna effektivt kan synkroniseras med mycket liten variation i hastighet. Med denna ljuskontrollmetod, forskarna kunde rotera en uppsättning mikromotorer i samklang med en viss hastighet.

De bakteriedrivna mikromotorerna har potentiella medicinska tillämpningar, såsom leverans av läkemedel och last, som forskarna planerar att undersöka i framtiden.

© 2017 Phys.org