纤毛也能做芯片！康奈尔华人博士生一作登Nature封面-技术圈

编辑：David 拉燕

搞芯片，最重要的环节是什么？

除了用更先进的制造工艺带来更大的晶体管密度，获得更大的算力之外，对芯片内部信号的传输和控制也是必不可少的一部分。

「纤毛芯片」，了解一下？

当然，首先来看看纤毛是干什么的。

纤毛，可以说是生物体中最勤奋的信使和传话人，更直接点说，就是液体的最灵活的「搬运工」。

这些纤细的毛发通过有节奏的跳动来搬运生物体内的液体，包括大脑中的脑脊液，清除肺部的痰和污物，保持其他人体器官和组织的清洁。

多年以来，人们一直希望能够在计算和控制领域吸收，或者说「借鉴」纤毛的神奇能力。

但是在微观层面上。复制这个生物体中的「奇迹」的难度是非常大的。过去几年，光、磁和电驱动的研究已经取得了不少进展，但在工程上具备应用价值的「纤毛驱动」平台仍然难以实现。

现在，这个困难被康奈尔大学的一群研究人员解决了。

他们设计了一个微型的人工纤毛系统，使用基于铂金的部件，可以在微观尺度下利用纤毛控制液体的运动。未来，有可能实现低成本、便携式的诊断设备，用于测试血样、操纵细胞活动或协助微加工过程等。

目前，刊载这一研究的论文已经发表在最新的Nature上，论文一作为华人博士生Wang Wei（上图），二作为华人博士后Liu Qingkun，目前论文被引用数超过2300次，H指数为24。

Wang Wei表示，目前已经有很多方法可以制造由光、磁或静电力驱动的人工纤毛，但我们是第一个使用新纳米致动器来实现可单独控制的人工纤毛的团队。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04645-w.pdf

在Nature这篇论文中，研究人员构建了电子驱动人造纤毛的活性超表面，并在表面附近的液体中能够产生任意流动模式。

研究人员首先构建了电压驱动的纤毛，在 1 伏的驱动电压下以每秒数十微米的速度做单向运动，以驱动表面流动。纤毛单位细胞可以在局部产生一系列的元素流动并构成不同几何形状。

基于表面电化学执行器的人工纤毛

通过组合这些单位单元，研究人员创建了一个活跃的纤毛超表面，可以生成任何所需的流动模式，并在这些模式之间灵活切换。

这些结果，最终通过实验和理论计算得到了证实。

研究人员表示，这些结果为未来精细尺度微流体操纵开辟了一条新路，从微流体泵送到微机器人运动都能进行应用。

人工纤毛的显微镜视图

具体来说，一个典型的「纤毛芯片」包含16个方形单元，每个单元有8个纤毛阵列，每个阵列有8个纤毛，每个纤毛约50微米长，从而形成一个由大约1000根人造纤毛组成的「地毯」。

对每根纤毛加以震荡电压，其表面会发生周期性的氧化和还原，使纤毛来回弯曲，以每秒几十微米的速度泵送流体。

不同纤毛阵列可以被独立激活，因此可以产生无穷无尽的流动模式和路线，和纤毛在生物体内的灵活性几乎不相上下。

这项研究由论文通讯作者、康奈尔大学物理学教授Itai Cohen领导，建立在一个铂金基底的电动执行器上，作为纤毛设备的核心组件。

Cohen的团队之前打造了让微型机器人实现行走的类似系统。实际上，让微型机器人「弯腿」力学原理和这个研究很相似，但纤毛系统的具体功能和应用是不同的，而且相当灵活。

纤毛单元产生的多种流动路线

Cohen表示，「一旦你能单独处理这些纤毛，你就能以任何你想要的方式精确操纵和控制这些流体。可以创建多个独立的运动轨迹，实现环形流动，或者分裂成两条路径，然后在两路合一。甚至可以在三维空间内设计路线。总之，一切皆有可能。」

「使用现有的平台来创造小的、在水中工作的、可电处理的、可与有趣的电子装置集成的纤毛，一直是非常困难的。现在这个问题解决了。有了这种平台，我们就有望开发出下一代的微型流控设备。」他说。

另外，研究团队还开发了一个配备CMOS时钟电路的纤毛装置，实际上就是一个「电子大脑」，使纤毛能够不被传统计算机系统束缚下运行，也为开发一系列可在现场进行的低成本诊断测试打开了大门。

Cohen表示，可以想象，在未来，人们拿着这个1厘米见方的小设备，只要滴一滴血在上面，就能进行所有的检测。不用再用什么泵，也不用任何其他设备，只要把它放在阳光下，它就会工作，成本可能只有1到10美元左右。

参考资料：

https://news.cornell.edu/stories/2022/05/artificial-cilia-could-someday-power-diagnostic-devices

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04645-w

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