在自然界中，細菌等微生物能夠在沒有外部提示的情況下，通過自我推進和感知環境做出導航決策。盡管近年來，科學家們在合成智能微納米機器人方面取得了一些進展，使它們能夠自我推進，但它們仍然無法像生物體那樣，具有復雜的導航和決策功能。
近日，華中科技大學化學與化工學院瞿金平院士/牛冉研究員團隊聯合達姆施塔特工業大學Benno Liebchen教授團隊在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》雜志在線發表了題為“Automated decision-making by chemical echolocation in active droplets”的研究文章。該研究展示了一種全新的“化學回聲定位”機制，能夠讓合成的液滴馬達像生物體一樣自主決策和導航，這些微小液滴能夠在復雜迷宮中避開障礙物并向前移動——而這一切都不依賴于任何外部場的控制。該機制利用自推進的微納米機器人（如液滴或活性膠體）所產生的化學濃度梯度和水動力流，在環境中生成化學信號并感知障礙物。這些信號會被墻壁、障礙物或其他物體反射回來，產生“回聲”。反射回來的“回聲”巧妙地將液滴從封閉的路徑中推開，導引其朝向開放的路徑運動。該液滴馬達持續生成自己的信號，并根據這些信號從環境中的“回聲”來做出決策。
為了驗證這一機制，研究團隊使用由聚乙烯亞胺(PEI)和聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)絡合而成的毫米級液滴進行實驗。這是一種通過自生聚電解質濃度梯度驅動的水-水液滴馬達。它在自固化時釋放可降低表面張力的聚電解質PSS，從而降低周圍水的表面張力，進而誘導液滴自主推進。當這些液滴被放置在充滿水的迷宮中時，它們自發地開始運動，令人驚訝的是，它們無需任何外部指引，便能順利地導航到出口。高速錄像顯示，液滴在接近交叉口時會減速，感知來自死胡同的化學“回聲”，并及時轉向避開。通過重復實驗，大多數液滴成功地解決了迷宮問題，且隨著迷宮長度的增加，液滴的導航時間逐漸增加，到達出口的成功率可保持在80%以上。模擬結果與實驗結果顯示一致，液滴在每個交叉口都能做出正確選擇，并有效地到達出口。更重要的是，該結果對復雜迷宮具有魯棒性。與此相比，傳統的依賴于化學源進行迷宮探索的方法在迷宮尺寸增大時變得不可靠，因為隨著距離的增大，引導信號會減弱。
這種自動獨立決策的能力展示了合成活性物質系統如何僅通過物理機制實現導航功能，而無需像生物體那樣依賴復雜的生化機制。由于“化學回聲定位”不需要集成電子設備和外部傳感器控制，這一機制理論上可以縮小到更小的尺寸，并應用于更加復雜的環境中。例如，液滴可以在狹窄的微流控通道中導航、探索封閉空間或沿復雜路線輸送小型貨物。這些系統可以在傳統微納米機器人技術無法應對的環境中發揮作用，該研究結果為自主微觀系統的發展提供了理論指導。
論文第一作者為達姆施塔特工業大學的Aritra K. Mukhopadhyay博士和華中科技大學化學與化工學院博士研究生付琳慧。論文通訊作者為華中科技大學化學與化工學院牛冉研究員，論文作者還包括華中科技大學瞿金平院士，趙強教授，博士研究生馮凱以及達姆施塔特工業大學的碩士生Christopher Fujta和Benno Liebchen教授。該研究得到國家自然科學基金的資助。
圖1 具備自主決策能力的活性液滴馬達解決迷宮問題
圖2 基于化學回聲定位策略的液滴馬達解決迷宮問題的實驗結果
圖3 液滴馬達解決迷宮問題的實驗與模擬結果對比
圖4 化學回聲定位策略對于不同幾何形狀和參數下迷宮的魯棒性。
全文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2526773123
作者簡介：
牛冉，華中科技大學化學與化工學院研究員、博士生導師、國家重點研發計劃青年項目首席科學家，主要研究領域為功能高分子材料及微納米機器人。目前以第一或通訊作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano、Adv. Sci.等具有重要影響力的國際刊物上發表SCI論文80余篇，獲授權專利6項，申請專利8項。主持承擔國家自然科學基金、重點研發計劃青年科學家項目等國家和省部級科技項目多項，并獲得湖北省海外高層次人才計劃、武漢英才等多項榮譽獎勵。擔任Rare Metals期刊 (中科院1區，影響因子6.3)，Exploration和Energy Materials期刊青年編委。
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