一根微小的细胞毛发（称为纤毛）的轻微摆动本身可能作用不大。但这些结构共同作用，通常在体内创造生物奇迹。纤毛清除呼吸道吸入的病原体，将脑脊液输送到脑腔，将卵子从卵巢输送到子宫，并将粘液从耳中输送到鼻腔。这些微小的细胞外细胞器对体内维持生命的液体施加精确的微流体控制。为了更好地了解这些至关重要的自然奇迹是如何运作的，科学家们多年来一直试图模仿它们。
现在，研究人员已经接近实现这一目标，他们创造了一种覆盖着人工纤毛的芯片，可以精确控制微小流体的流动模式。开发人员希望这项技术将成为新型便携式诊断设备的基础。目前，许多诊断实验室测试耗时、资源密集，并且需要密切的人工支持。研究人员表示，覆盖纤毛的芯片可以实现现场测试，这将比基于实验室的测试更简单、更便宜、更高效，并且可以使用更少量的血液、尿液或其他测试材料样本。
人类已经取得了壮观的大规模工程壮举，但“在工程微型机器方面，我们仍然有点停滞不前”，康奈尔大学物理学家、描述其团队纤毛芯片的《自然》杂志新研究的资深作者伊泰·科恩说。研究人员此前曾尝试制造通过压力、光、电甚至磁铁工作的人工纤毛。但一个主要的障碍仍然存在：设计极其微小的致动器（机器的运动触发部件），这些致动器可以单独或成小簇而不是一次性全部控制。
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康奈尔大学的研究人员通过从他们早期工作中吸取的一些经验教训克服了这一障碍。2020 年 8 月，吉尼斯世界纪录认可了科恩及其团队设计的世界最小的步行机器人，这台机器只有千分之一毫米宽，可以在四条可弯曲的腿上行走。与这些腿非常相似，新型人工纤毛由可弯曲的纳米薄膜制成，可以响应电控制。每个纤毛的长度为二十分之一毫米（不到尘螨长度的一半），厚度为 10 纳米（比最小的细胞器还薄），一侧有一条铂条，另一侧涂有钛膜。
电控制这些人工纤毛的关键在于它们的金属成分。通过纤毛施加低正电压会触发化学反应：当一滴测试液流过时，带电的铂会分解液滴内的水分子。这释放出氧原子，氧原子被吸收到铂的表面。添加的氧气会拉伸条带，使其向一个方向弯曲。一旦电压反转，氧气就会从铂中排出，纤毛恢复到原来的形状。“因此，通过来回振荡电压，您可以弯曲和展开条带，这将产生波浪来驱动运动，”科恩说。同时，电惰性钛膜稳定了结构。
接下来，研究人员必须弄清楚如何在表面上排列数千个他们的人工纤毛。通过简单地一个接一个地弯曲和展开，这些细条可以沿设定方向驱动微量的流体。但是为了引导液滴以更复杂的模式流动，研究人员必须将芯片表面分成可单独控制的纤毛组。康奈尔大学团队首先在虚拟环境中规划了一个控制系统，与剑桥大学的研究人员合作，以三维数字模拟液滴如何在覆盖纤毛的芯片上移动。
研究人员使用这些计算机模拟来检验他们正在进行的理论方面之后，他们继续生产物理设备。他们厘米宽的芯片上铺满了数百条微小的铂钛条，分为 64 个阵列，每个阵列有 8 个纤毛。由于每个阵列都是独立可控的，因此可以单独编程各个单元，然后进行协调以将测试流体沿任何给定方向移动。阵列协同工作，可以产生近乎无限的流动模式组合。
该团队的第一个设备可以驱动液滴以特定模式流动，但其效率不如研究人员希望的那样高。他们现在已经在计划使用具有多个“铰链”的纤毛的下一代芯片。科恩说，这将赋予它们更多的弯曲能力，“这可以使流体的流动更加高效”。
香港城市大学微流体研究员王钻开（未参与这项新研究）表示，这项研究“优雅地启发了我们，如何通过电子信号实现人工纤毛阵列的独立、可寻址控制，从而产生复杂的可编程微流体操作”。“希望在未来几年内，可以实现不受束缚的低成本诊断设备的大规模生产。”
由于这项新技术模仿了生物结构，因此将其用于医疗应用是有道理的。研究人员设想，覆盖纤毛的芯片可以作为诊断设备的基础，该设备可以测试任何水、血液或尿液样本，以查找污染物或疾病标志物。用户将一滴血液或尿液放在芯片上，人工纤毛会将样本以及其中的任何化学物质或病原体从一个位置输送到另一个位置，使其在移动过程中与各种测试剂混合并反应。内置于芯片中的生物传感器将测量这些化学反应的产物，然后指示纤毛进一步操纵液体的流动，从而使芯片能够执行额外的测试以确认结果。“通过这种方式，您可以在厘米大小的芯片上完成通常在化学实验室中发生的所有化学实验，”科恩解释道。“该芯片也可以自行运行，因为它可以使用安装在芯片本身上的小型太阳能电池板。”这种自供电设备非常适合在现场使用。
利哈伊大学材料科学家马诺伊·乔杜里（未参与这项新研究）表示：“他们将微电子学与流体力学相结合的方式非常出色。”乔杜里说，研究人员已经解决了一个基本问题，但要将由此产生的产品变为现实还需要进一步努力。“当他们设计用于分析一滴血液的反应器系统时，必须有局部站点，他们甚至可能需要在这些站点加热或冷却样本，”他说。“因此，看看他们如何将所有这些方面整合到微型反应器中将会很有趣。”
编者注（2022 年 7 月 26 日）：本文在发布后经过编辑，更正了对物理测试芯片上可控纤毛组和铂钛条的描述，包括纤毛、阵列和条带的数量。
本文的标题为“微流”，经过改编后收录在 2022 年 9 月的《大众科学》杂志中。