暨南大学融媒体中心讯 近日，暨南大学化学与材料学院王吉壮/李丹团队提出了一种可编程结构的光驱动硅基微纳机器人构筑策略，并进一步实现了对细菌的特异性捕获。相关研究成果以“Geometry-Programmable Light-Driven Silicon Microrobots”为题，发表于国际权威期刊Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.202522384）。
论文封面
光驱动微纳机器人凭借可编程操控与高效驱动等优势，已成为领域的研究热点。光作为可调制信号源，可对入射方向、强度、波长及偏振等参数进行多维度调控，为微纳机器人的精准操控与复杂任务执行提供了可行方案。该驱动模式具备优异的灵活性与可编程性，使微纳机器人在生物医学、环境监测、工业制造等领域展现出广阔的应用前景。
硅基材料兼具优异的光电转换性能、良好的生物相容性与可设计性，其独特的光电化学驱动特性与清晰的能量转化路径，为光驱动微纳机器人的驱动机制研究与应用拓展提供了重要支撑。然而，受限于传统制备方法，硅基微纳机器人多局限于一维纳米棒等简单结构，其简易化、通用化的设计与构筑仍是亟待突破的关键挑战。因此，根据功能需求实现微纳结构的灵活构建，并发展简便通用的设计制备策略，对推动该体系的理论研究与实际应用具有重要意义。
针对上述问题，研究团队提出了一种基于等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的通用可扩展制备策略，成功构筑出可编程结构的多维硅基微机器人，显著拓展了其设计空间。在可见光及近红外激发下，该类硅基微机器人可实现高效自主推进，并通过引入磁性结构进一步提升了控制精度。此外，通过在微机器人表面功能化修饰噬菌体，使其具备对目标细菌的特异性捕获能力。该研究实现了硅基微纳机器人的结构可编程、多模态驱动与表面功能化的集成，为光驱动微纳机器人在精准医疗、环境监测及微纳制造等领域的应用提供了新的技术途径。
可编程结构的光驱动硅基微机器人的构筑，并用于靶向细菌捕获
如图1所示，研究团队利用PECVD技术在各类模板结构上沉积非晶硅（a-Si）薄膜，构建出一系列结构可编程的硅基微机器人，包括0D球形结构、1D纳米棒结构、2D图案结构以及3D纳米树结构。在此基础上，通过在微机器人表面进一步修饰噬菌体，使其具备对特定细菌的识别能力，从而实现对目标细菌的主动捕获。以球形结构为模板，通过PECVD沉积形成Si壳层，并在其表面沉积金纳米结构，构建Si/Au结，从而形成具有Janus结构的0D微机器人。在光照条件下，由于光电化学反应，在微机器人周围形成离子浓度梯度，基于自扩散泳的驱动机制，使微机器人能够在光照下实现高效运动。
结合光刻技术可实现可定制化的二维模板结构制备，再通过PECVD沉积硅壳层，研究人员成功构筑出多种二维结构的微机器人。在可见光照射下，该类微机器人可实现高效驱动，并可通过光照的开关实现运动启停控制，运动速度亦可随光强实现精准调节。同时，借助结构设计引入几何不对称性，可对其运动行为进行调控，使其呈现定向行进、旋转等多种运动模式。进一步引入磁性结构后，在外磁场作用下微机器人可实现预设轨迹的精确操控，例如可书写出“Motor”字样轨迹。
二维微机器人的设计及可见光激发下的运动行为
通过在微机器人表面修饰T4噬菌体，利用其尾丝蛋白（如gp37）与大肠杆菌脂多糖（LPS）的特异性相互作用，可实现对目标细菌的精准识别。当微机器人在光驱动下靠近目标细菌时，表面修饰的噬菌体能够与细菌特异性结合，从而完成高效捕获。在外加磁场的引导下，微机器人可携带捕获的细菌定向移动，展现出良好的靶向捕获与运输潜力。
微机器人实现对大肠杆菌的特异性捕获
该研究提出了一种简单、通用的可编程结构的硅基微机器人制备策略，成功构建了覆盖0D至3D的多维结构光驱动微机器人体系，并实现了光驱动、磁操控与生物功能化的一体化集成。通过引入噬菌体功能化修饰，该系统进一步获得了对目标细菌的特异性识别与捕获能力，为微纳机器人在生物医学、环境监测领域的实际应用开辟了新路径。未来，随着微纳制造技术与智能控制技术的持续发展，此类结构可编程的光驱动微纳机器人有望在精准治疗、微纳操控及复杂环境监测等领域发挥更重要的作用，展现出广阔的应用前景。
论文第一作者为暨南大学硕士生刘坤凤，通讯作者为暨南大学王吉壮副教授和李丹教授，香港大学的唐晋尧教授团队也参与研究。该论文得到了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金杰出青年项目和暨南大学等的大力支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202522384
责编：周会谦