在自然界中，許多微生物可以對光做出反應并表現(xiàn)出一定的趨光性，例如綠藻在弱光下可以主動靠近光源獲取能量，強光下又能躲避光源免受傷害。受自然界的啟發(fā)，近年來科學家發(fā)展了多種能夠趨光運動的游動微納米機器人，然而，實現(xiàn)像微生物一樣同時具有趨光和避光的行為依然極具挑戰(zhàn)。
近日，蘇州大學董彬教授課題組聯(lián)合中科院物理所楊明成教授課題組和華南師范大學董任峰教授合作報道了一種基于氮化碳（C3N4）/聚吡咯納米顆粒（PPyNP）的游動微納米機器人。在光照下，其行為類似于綠藻，其能夠感知光強變化，在低光強下趨光運動，在強光下避光運動。這種仿生性的運動行為主要是由于同時集成到游動微納米機器人中的兩種協(xié)同競爭機制（自擴散泳和自熱泳）所引起的。更為有趣的是，通過調節(jié)光強，這兩種機制之間的協(xié)同競爭可以實現(xiàn)游動微納米機器人集群在均勻光照下的群體雙向趨避光運動以及在非均勻光場下的群體渦旋運動行為。這一研究成果為設計具有復雜運動行為的游動微納米機器人提供了新思路，也為光驅動微納米機器人的進一步應用奠定了基礎。
圖1.（A-D）C3N4/PPyNP游動微納米機器人在較弱平行光下（0.4 W/cm2）趨光，中等強度平行光下（0.8 W/cm2）做類似布朗運動和較強平行光下（1.2 W/cm2）避光的示意圖和軌跡圖。(G-H) C3N4/PPyNP游動微納米機器人在動態(tài)調整光強下（0.4 W/cm2-1.2 W/cm2）往復運動示意圖和軌跡圖像（入射光角度為30°）。21
圖2 （a-f）C3N4/PPyNP游動微納米機器人集群在較弱平行光下（0.4 W/cm2）趨光，較強平行光下（1.2 W/cm2）避光和中等強度平行光下（0.8 W/cm2）做類似布朗運動的示意圖和軌跡圖（入射光角度為30°）。
圖3 (A)在中等強度的發(fā)散光照射下C3N4/PPyNP游動微納米機器人集群渦旋運動示意圖和(B)對應的疊加光學顯微鏡圖像。(C)在渦旋運動過程中不同位置的四個游動微納米機器人的代表性軌跡和(D)和距離渦旋中心不同距離的旋轉運動的線速度。(E)在中等強度發(fā)散光束內不同位置的游動微納米機器人感受到不同局部光強示意圖。(F)中等強度發(fā)散光光束內游動微納米機器人渦旋運動的模擬視頻截圖。
該成果以“Bioinspired micro/nanomotor with visible light energy-dependent forward, reverse, reciprocating, and spinning schooling motion”為題發(fā)表在PNAS上。
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