細(xì)菌通過響應(yīng)于局部變化的物理和化學(xué)條件而利用力學(xué)表現(xiàn)出顯著的可塑性。順從的結(jié)構(gòu)通常會(huì)幫助出租車的行為在復(fù)雜而結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中導(dǎo)航。受生物啟發(fā)的微生物機(jī)制包含合理設(shè)計(jì)的架構(gòu)，該架構(gòu)能夠進(jìn)行大的非線性變形，從而將自主權(quán)引入工程化的小型設(shè)備中。

在最近的一項(xiàng)研究中，HW Huang及其機(jī)械工程，應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理系的同事分析了低雷諾數(shù)下流體動(dòng)力和局部流變對(duì)游泳的影響。在工作中，他們確定了在運(yùn)動(dòng)中使用彈性-流體動(dòng)力耦合技術(shù)開發(fā)一套機(jī)械設(shè)備的挑戰(zhàn)性和收益，這些機(jī)械設(shè)備可以制造具有自律性的不受束縛的微型機(jī)器人。在沒有板載傳感器的情況下，在自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)過程中，科學(xué)家能夠證明人造微游泳者的結(jié)構(gòu)和磁性與流體的動(dòng)力學(xué)特性之間的耦合。結(jié)果現(xiàn)已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

微生物包含多種分子運(yùn)動(dòng)的機(jī)制，可以有效地導(dǎo)航復(fù)雜的環(huán)境和生態(tài)位。在細(xì)菌中，游動(dòng)由鞭毛，細(xì)胞體與血流產(chǎn)生的阻力之間的機(jī)械相互作用引起。雷諾數(shù)低時(shí)的粘滯力會(huì)引起流體阻力，而阻力又取決于運(yùn)動(dòng)物體的形狀。

為了優(yōu)化其運(yùn)動(dòng)能力，細(xì)菌可以在其生命周期中采用其他形狀和大小。除了改變身體形狀，細(xì)菌還可以使用推進(jìn)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行高級(jí)運(yùn)動(dòng)。例如，通過彎曲鉤形彎月桿菌可以增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力，而溶藻弧菌由于鞭毛屈曲的不穩(wěn)定性，在攀登營養(yǎng)梯度中可以勝過多鞭毛大腸桿菌。此外，腐臭希瓦氏菌可以通過鞭毛絲中的多態(tài)性轉(zhuǎn)變逃脫物理陷阱。

研究人員通過生物啟發(fā)式微工程學(xué)開發(fā)的微觀人工游泳器，可通過體液，穿過生物屏障并進(jìn)入疾病的偏遠(yuǎn)地區(qū)，從而可能徹底改變靶向療法。在該領(lǐng)域的開拓性工作已經(jīng)證明了模仿原核或真核鞭毛構(gòu)建具有不可逆運(yùn)動(dòng)的磁控微游泳器的可行性。但是，與活細(xì)胞不同，這些機(jī)械設(shè)備無法感應(yīng)其局部環(huán)境或適應(yīng)物理?xiàng)l件的變化?？刂迫嗽觳牧峡梢詾闃?gòu)建可調(diào)節(jié)，持久且強(qiáng)大的工程解決方案鋪平道路，例如自主生物混合機(jī)器人設(shè)備。