Нанороботы на световой тяге научились охотиться на бактерий

Художественное изображение наноробота (в центре и на вставке), взаимодействующего с бактериями двух разных типов. Пунктирные стрелки указывают на притягивающую термофоретическую силу, которую наноробот оказывает на бактерии при освещении. Источник: Jin Qin

Роботы, достаточно маленькие, чтобы работать в микробном мире, могут дать ученым новый способ напрямую манипулировать объектами, которые невозможно удержать руками. Эти крошечные машины примерно в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, что приближает исследователей к давней цели — взаимодействию с микромиром.

Такая возможность особенно полезна для биологических материалов в воде, включая отдельные клетки и бактерии. Точный контроль и перемещение объектов такого масштаба всегда были сложной задачей. Новые нанороботы демонстрируют, что уже сейчас можно собирать бактерии, транспортировать их и выпускать в выбранных местах.

Свет приводит в движение и управляет крошечными роботами

Одно из главных препятствий при создании таких машин — поиск эффективного способа их движения и управления. Исследовательская группа под руководством профессора Берта Хехта из JMU (Университет Юлиуса Максимилиана в Вюрцбурге) разрабатывает решение, использующее отдачу отдельных фотонов для перемещения микроскопических устройств, известных как микродроны.

Устройства содержат до четырех плазмонных наноантенн. Они поглощают свет определенного цвета и спиральности, а затем излучают его в заданном направлении. Перенаправление каждого фотона создает крошечную силу отдачи, аналогичную отдаче при выстреле из пистолета. Из-за малой массы микродронов эти силы обеспечивают значительное ускорение и скорость.

В новой работе исследователи уменьшили размер своих роботов до менее одного микрометра. Упрощение системы управления стало ключом к достижению такого размера при сохранении движения на основе фотонной отдачи.

Новый метод управления использует наноразмерные антенные провода, встроенные в робота. Они естественным образом выравниваются по направлению поляризации падающего света. Меняя поляризацию, исследователи контролируют ориентацию наноробота. Одновременно фотонная отдача продолжает толкать его вперед, создавая систему управления, похожую на рулевое управление крупных транспортных средств.

Нанороботы как «микроскопические уборщики»

«По сути, мы создали управляемый светом наноробот, который может выслеживать и собирать бактерии», — говорит Джин Цинь, ведущий экспериментатор исследования. — «Упростив конструкцию, мы достигли размера, при котором эти роботы могут работать прямо в микробном мире — почти как микроскопические чистящие устройства».

Роботы обладают высокой маневренностью: они могут совершать мгновенные повороты на 90°, что позволяет эффективно сканировать большие участки образца. Они также способны избирательно захватывать, переносить и выпускать значительное количество бактерий.

В контролируемых лабораторных условиях нанороботы могут эффективно «очищать» микросреды, собирая бактерии из одной области и перемещая их в выбранные места.

«Это яркий пример того, как свет можно использовать не только для наблюдения за микромиром, но и для активного воздействия на него», — добавляет Берт Хехт. — «Идея крошечных роботов-уборщиков может звучать футуристично, но мы уже демонстрируем физические принципы, которые делают это возможным».

Роботы сохраняют маневренность даже при переносе крупных групп бактерий, хотя их скорость несколько снижается под нагрузкой. Эта способность указывает на потенциальное применение в микробиологии, биомедицинских исследованиях и точной манипуляции материалами в микромасштабе.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Вюрцбурга.

Jin Qin, Carsten Büchner, Xiaofei Wu, Bert Hecht. A nanoscale robotic cleaner. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-70685-9