由日本理化學研究所(理研)和東京電機大學等組成的共同研究小組2016年10月17日宣布,開發出了利用蚯蚓肌肉組織的小型泵機。該產品具有可與已有的使用壓電元件的同尺寸泵機相匹敵的功能,因此今后很可能成為超微小泵機開發上的典范。
以前理研等一直在開發將生物擁有的細胞及組織結構導入到微流體器件的技術,比如使用新生小鼠心肌細胞的泵機以及使用電鰩的發電機等。但該研究小組以前開發的使用新生小鼠心肌細胞的泵機由于心率搏動而缺乏控制性,而且收縮也僅為微牛頓(μN)級別,無法替代已有器件。
此次研究人員著眼于構成蚯蚓體表的體壁肌,以具有環狀構造,而且控制性、響應性、應答速度及收縮力出色的體壁肌肉為材料,試制出了在聚集性及機械性方面可與已有泵機相匹敵的小型“蚯蚓泵機”。制造時使用微細加工技術,以微流體芯片為基座,制備了寬度和深度為0.2mm的微細流路、直徑為3mm的泵室、止回閥等,然后在上面設置傳遞肌肉收縮力的推桿,最后蓋上“蚯蚓肌肉片”并用針固定。
蚯蚓肌肉片是對陸生蚯蚓進行橫切然后展開成寬約1cm的片狀。機械特性檢測結果顯示,對6V電壓電刺激的收縮力最大為9.3mN(約0.95g重),收縮前的響應時間約為0.3秒。這一性能與小型泵機驅動元件普遍使用的同尺寸壓電元件為同等程度。
用6V電壓的電脈沖(持續時間為0.3秒)以3秒為間隔向泵機上的蚯蚓肌肉片實施連續刺激時,確認泵室內的水會隨著肌肉片的收縮被推出,實現送液動作。流量為每分鐘5μL,是使用新生小鼠心肌細胞的泵機的1000倍以上。
形成蚯蚓泵機動作的能量源為生物體的共同能源——三磷酸腺苷(ATP)。如果包括神經組織等在內,能夠人工制造與蚯蚓相同的構造,將來還有可能不用電刺激便可驅動。無需電力的小型泵機若得以實現,有望應用于不能使用電機的下水道內機器人、血管內機器人等工業及醫療等領域。
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