当黛布利娜·萨卡尔想要将她实验室的新发明命名为“细胞漫游者”时，她的学生们犹豫了。“他们觉得，‘对于一项科学技术来说，这名字似乎太酷了，’”她说。但麻省理工学院的纳米技术专家萨卡尔希望这个微型设备的名字能够唤起人们对未知世界的探索。然而，这个漫游者将在活细胞内部漫游，而不是行星表面。
最近的工程进步使科学家能够将电子设备缩小到细胞尺度——希望有可能利用它们来探索和操纵单个细胞的内部结构。但是，这样的漫游者需要接收指令和传输信息——而与如此微小的设备进行通信可能极其困难。“将天线微型化以使其能够装入细胞内部是一个关键挑战，”萨卡尔说。问题在于电磁波，大多数传统天线，如手机中的天线，都使用电磁波来传输和接收数据。天线在其所谓的“谐振频率”下工作效果最佳，谐振频率出现在波长大致等于天线实际长度时。由于波的速度、频率和波长之间存在数学关系，波长较短的波具有较高的频率。不幸的是，亚细胞天线必须非常小，以至于它们需要微波范围内的频率。就像厨房微波炉中的波束一样，这些信号“只是把细胞烤焦了，”萨卡尔说。但她和她的同事认为他们找到了解决方案。在自然通讯杂志上发表的一篇论文中，他们描述了一种新的天线设计，它可以通过与声波而不是电磁波共振，在细胞内部安全地工作。一个功能正常的天线可以帮助科学家为细胞内微小的漫游传感器供电并与之通信，帮助他们更好地了解这些构建模块，并可能带来新的医疗方法。
萨卡尔和她的团队用一种“磁致伸缩”材料——一种在暴露于磁场时会改变形状的材料——机械加工了他们的实验天线。研究人员选择了一种广泛使用的铁、镍、硼和钼合金，这种组合已经用于其他类型的传感器。当将交流磁场施加到这种磁致伸缩天线上时，其分子的北极和南极会随着变化的磁场对齐，来回翻转，从而拉伸材料。这种运动使天线像微型音叉一样振动。像任何磁性材料一样，天线也会产生自己的磁场来响应外部磁场，但由于它在振动，因此其运动会以接收器可以检测到的方式改变其新的磁场。这允许双向通信。
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传统天线和细胞漫游者之间的关键区别在于将电磁波转换为声波。“他们的天线共振不是基于光的波长，而是基于声音的波长，”莱斯大学神经工程师雅各布·罗宾逊解释说，他没有参与这项研究。与较大的传统天线一样，当波的波长等于其长度时，细胞漫游者达到其谐振频率——但刺激此频率的波是声波，声波的传播速度比电磁波慢得多。由于波的波长和频率之间的关系也取决于其速度，因此具有相同波长的声波和电磁波将具有不同的频率。换句话说，外部磁场可以使用微波范围之外的频率的波来向细胞漫游者发出信号。“这是一个聪明的方法，”罗宾逊说。
研究人员首先在空气和水中测试了细胞漫游者，他们发现天线的工作频率比同等的电磁天线小10,000倍——足够低，可以避免杀死活细胞。接下来，该团队在活体系统中测试了该设备：非洲爪蟾的卵细胞，一种模式生物。由于细胞漫游者是由磁性材料制成的，因此研究人员可以使用磁铁将其拉入每个测试细胞。在这些插入之后，卵细胞在显微镜下看起来很健康，并且没有出现任何泄漏。在卵细胞内部时，细胞漫游者能够接收电磁传输并向外发送响应信号，距离最远可达一厘米。研究人员还在单个细胞中添加了多个不同尺寸的细胞漫游者，并发现他们可以区分各个漫游者的传输信号。
尽管在缩小细胞漫游者方面取得了进展，但原型本身仍然相对较大。它们的长度刚刚超过 400 微米（0.4 毫米），对于许多细胞类型来说，尺寸还是太大。因此，科学家们计算模拟了比他们测试的天线小约 20 倍的天线的运行情况。他们发现这些假设的漫游者可以保持相似的通信范围——但他们尚未制造出来。罗宾逊说，为了使此类设备能够在生物体中工作，还必须增加范围。“我认为还需要做更多的工作来增加功能，”罗宾逊补充道。“它们目前尚未做任何与生物学相关的事情。”
到目前为止，科学家们仅表明细胞漫游者在原理上可以工作，他们使用它来发送空信号；这种类型的传输可以被认为有点像电视上的静电。接下来，他们将尝试通过为漫游者配备可以收集和传递有关漫游者周围环境信息的微型仪器来确定他们可以观看哪些“节目”。例如，他们可能会添加一种简单的聚合物涂层，该涂层会与附近的离子或蛋白质结合。当这些物质粘附在聚合物上时，它们会改变细胞漫游者的质量，而这反过来又会改变它产生的声波振动。通过测量这些变化，研究人员可以评估细胞的蛋白质或离子水平。
细胞漫游者也可能适用于更复杂的应用。将来有可能使用此类设备来摧毁癌细胞，电改变信号通路以影响细胞分裂或分化，甚至可以作为其他微型设备的电源。“我们不仅可以进行细胞内传感和调节细胞内活动，而且可以为纳米电子电路供电，”萨卡尔说。这种微小的电子设备还可以引导细胞漫游者进行探索之旅，就像其更大的同名设备一样：它们将允许它分析传感器数据并修改细胞环境，而无需科学家的输入。“它有一天将能够做出自主决定，”萨卡尔说。“机会是无限的。”