足够小以在微生物世界中操作的机器人可能为科学家提供了一种直接处理无法用手操控的物体的新方法。这些微小的机器只有人类头发直径的约50倍，令研究人员更接近长期追求的直接与微观世界互动的目标。这种能力在处理水中的生物材料时尤其有用，包括单个细胞和细菌。在这个尺度上精确控制和移动物体一直是一个持久的挑战。新开发的纳米机器人显示出已经可以收集细菌、运输细菌，并在选择的位置释放它们。光驱动并引导微小机器人开发这种小型机器最大的障碍之一是找到有效的推进和控制方法。在朱利乌斯·马克西米利安大学（JMU），由贝特·赫赫特教授领导的研究团队正在开发一种解决方案，利用单个光子的反冲力移动称为微型无人机的微观设备。这些设备可以包含多达四个等离子体纳米天线。这些天线吸收具有特定颜色和螺旋度的光，然后将其以特定方向发射。重新定向每个光子产生微小的反冲力，原理上类似于射击时产生的子弹反冲。由于微型无人机的质量极小，这些极小的力可以产生相当大的加速度和速度。在最新的研究中，研究人员进一步减小了光驱动机器人的尺寸，生产出小于一个微米的设备。简化控制系统是实现这种尺寸并保留基于光子反冲推进的一个重要部分。新控制方法利用了内置于机器人中的纳米级天线线。这些线自然倾向于与入射光的偏振方向对齐。通过改变光的偏振，研究人员可以控制纳米机器人的朝向。同时，光子反冲继续推动它向前移动，创造出一种类似于大型车辆所使用的定向控制的引导系统。纳米机器人作为“微观清洁工”研究的首席实验科学家秦金说道：“从本质上讲，我们已经构建了一种可追踪并收集细菌的光驱动纳米机器人。” “通过简化设计，我们达到了这些机器人可以直接在微生物世界中操作的尺寸——就像微型清洁设备一样。”这些机器人也具备高度灵活性。它们可以进行极快的90°转弯，帮助它们有条理、高效地扫描样本的广泛区域。它们还可以选择性地捕获、携带和释放大量细菌。在控制的实验室条件下，这意味着纳米机器人可以有效地“清洁”微观环境。它们从一个区域收集细菌，并将其存放在特定选择的位置。“这是一个显著的例子，说明光不仅可以用于观察微观世界，还可以积极塑造它。”贝特·赫赫特补充道。“微小机器人清洁工的想法可能听起来很未来，但我们已经展示了使其成为可能的物理原理。”即使在携带较大细菌群体时，这些机器人仍然完全灵活，虽然在额外负荷下速度稍有下降。在运输较大细菌集群时继续发挥功能的能力暗示了未来在微生物学、生物医学研究和微观尺度材料精确操控中的潜在应用。