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一项新的研究表明，微小细菌的集体随机运动可以被利用来以预定的方向转动更大的机械齿轮。这项研究将于本周在线发表在《美国国家科学院院刊》上，它为所谓的布朗棘轮的概念提供了一种新的思路，在这种概念中，任意的波动会产生定向运动，从而为微小的机械系统提供动力。
流体中粒子的随机且无处不在的运动，称为布朗运动，表面上为永动机提供了一条诱人的途径。在布朗棘轮的经典理论模型中，一个桨轮连接到一个机械棘轮，该棘轮将其旋转限制在一个方向，例如顺时针方向。当桨轮周围的热波动足以将其向顺时针方向推动时，棘轮会咔哒一声，从而实现系统的定向旋转。但是，讨厌的热力学第二定律介入，禁止从平衡状态下的这种波动中提取机械功。在布朗棘轮的思想实验中，驱动桨轮的相同平衡波动也会推动棘轮机构上的制动器，导致它经常失效，从而使其毫无用处。
但这并没有阻止研究人员追求从随机运动中获取定向运动，通过引入使系统失去平衡的能量输入来遵循热力学定律。“只要系统处于不平衡状态，如果系统中存在任何能量流动，它就会移动，”缅因大学物理学家迪恩·阿斯图米安解释说，他没有参与这项新研究。德国奥格斯堡大学的物理学家彼得·汉吉也未参与这项研究，他说，已经设计了几种不平衡的设置，利用诸如交变电流或磁场之类的输入。
在新的实施方案中，阿贡国家实验室、普林斯顿大学和西北大学的研究人员转向了生物能源：常见的土壤细菌枯草芽孢杆菌。在氧气和其他营养物质存在的情况下，微小的杆状细菌会开始游动。基本上随机移动的枯草芽孢杆菌为它们前进道路上的任何障碍物提供了汉吉所描述的“随机速度踢的不平衡来源”。
在与细菌一起的薄流体层中，研究人员放置了这样的障碍物，其形式是微小的齿轮——直径仅为380微米——带有倾斜的齿，以便优先向一个方向旋转。（一微米是一百万分之一米。）
西北大学物理化学家研究合著者巴托什·格里博夫斯基表示，在旋转能力方面，枯草芽孢杆菌比无生命的粒子具有优势：它们倾向于像鱼群一样成群游动。尽管该群体的运动基本上是随机的，但细菌的集体行为使它们能够利用它们的集体力量来转动齿轮，在格里博夫斯基及其同事创建的实验设置中，该齿轮的质量相当于数百万细菌的质量。“当你们形成群体时，集体行为会集体增加它们一起携带的动量，”格里博夫斯基说。“他们齐心协力推动这个齿轮。”
在研究人员的实验中，大约每立方厘米200亿的大量细菌群以每分钟约1到2转的速度转动齿轮。枯草芽孢杆菌群甚至能够转动一对有方向偏置的齿轮——一个顺时针方向，一个逆时针方向——它们的齿轮相互啮合。更重要的是，格里博夫斯基的团队可以通过控制细菌的氧气流量来开关齿轮的运动。
阿斯图米安称这项新工作“是一项引人入胜的实施方案”。与此同时，他不确定使用细菌的任何应用是否会立即出现——首先，细菌会用废物污染周围环境，最终死亡。“你去宠物店，看到仓鼠，它们一直在那个轮子上跑来跑去，”阿斯图米安说。“我想原则上你可以把它连接到一个发电机上，为一个小电灯泡供电。但到目前为止，这种仓鼠驱动的运动还没有成为家用电器，我认为这种情况也可能同样遥远。”
阿斯图米安是一位自称的理论家，他对诸如细菌驱动齿轮之类的实验如何进一步加深我们对最小尺度物理学的理解更感兴趣，在这些尺度上，宏观类比并不总是成立。“这都是关于在一个我们没有任何直觉的领域建立直觉，”他说。
他的同事汉吉称使用生物驱动器进行这种布朗型棘轮或电机的概念“是一个非常好的想法，一个很好的实验”。汉吉乐观地认为，微机械电机可以通过微生物提供动力——例如，将健康细胞与患病细胞分开。但他很想看看该系统如何响应相反的力——在新的实验中，齿轮可以自由旋转。“它实际上并没有对负载做功，”汉吉说，他强调这项新研究只是一个起点。“这是第一步，”他说，“它为你提供了在生物水平上进行工程设计的所有想法。”