非往复运动对于微米大小的生物体的运动至关重要。一个反例是扇贝，它通常长 10-20 厘米，只需打开和关闭两半壳就可以向前或向后游泳。这个运动是相互的，因为打开和关闭遵循相同的轨迹。相比之下，微米大小的单细胞生物将水视为一种粘性流体，就像人类在蜂蜜中游泳一样，因此它们不能依靠惯性来推动它们前进。因此，为了在水中游泳，这些生物已经开发出涉及复杂的非互易运动模式的策略。有些长出长长的鞭毛，以螺旋状的方式旋转；还有的长出纤毛；还有一些生物体的身体可以呈现出螺旋形状。

纤毛是生长在单细胞生物外表面的微小毛发，通过以特定模式有节奏地运动推动生物通过液体。这种节律运动遵循复杂的轨迹以实现向前推进，这是一种被称为非往复运动的特征，与人类游泳技术相同。但是，尽管这种运动可能很熟悉，但使用合成材料很难复制，因为这种节律运动是由许多纳米级分子机器的同步操作驱动的。

近日，哈佛大学Joanna Aizenberg等人揭示了光敏人造分子机器可以用来驱动由单一材料构建的聚合物纤毛中类似的复杂运动。成果发表在Nature上。

其中第一作者为哈佛大学化学与化学生物学系的李姝聪，本科毕业于清华大学化学系，还是个95后。

图|人造毛发状结构（纤毛）产生复杂的集体节律运动模式

整体思路

在人造材料中，类似纤毛的行为可以通过诱导非互易的形状变换来实现。该课题组通过使用一种响应光来回翻转的分子机器来实现这一点。这些分子机器可以共价结合到由液晶化合物制成的聚合物中。这种方法并不完全是新的；它已被用来模仿植物王国中发现的一些复杂运动（如，从黄瓜卷须的缠绕到种子荚的爆裂、捕蝇草的捕捉和向日葵的光跟踪）。但是该课题组将这项技术与微加工技术结合起来，并将其与一个模型结合起来，该模型可以预测纤毛运动作为分子相对于其主轴和照明方向的错位的函数。该模型可用于指导功能纤毛的设计。

在该研究中，光起着至关重要的作用。当聚合物材料吸收光时，会在每个纤毛的宽度上建立照明强度梯度。当光穿过材料时，它会激活分子机器，导致它们弯曲。这会扰乱聚合物的液晶顺序并产生分子无序的梯度。结果，均质材料被转化为具有不同变形特性的两层。光照区域优先沿液晶分子的方向收缩，这也是分子机器的方向，而纤毛的“暗”区域保持不受干扰。这迫使纤毛作为一个整体弯曲和扭曲。

图|三个非共线对称轴及其动态光化学机械反馈在成分均匀的微观结构中实现了无限组的自我调节运动

开关光循环致节律运动

此外，作者发现他们可以在这个系统中建立反馈回路。当纤毛扭曲时，它们将不同的面暴露在光线下，从而导致光线在穿过每个纤毛时发生变化。反过来，这种变化会随着时间的推移影响有序和无序区域之间的分布，导致研究人员能够通过改变照明的强度和方向来操纵复杂的运动。而且，一旦光线被关闭，材料就会通过不同于光诱导的向前运动来放松。因此，研究人员得出结论，开-关光循环可以引起纤毛节律运动，从而构成非往复运动。

图|不同方向的辐射会引发微柱不同的基本变形模式

集体运动

然后，作者还证明，节律运动的纤毛阵列可以通过阴影效应相互“交流”，从而表现出集体运动：当光照导致一根纤毛弯曲时，它会阻挡其邻居的光，依此类推。这种多米诺骨牌效应导致了传播波的出现，表明光驱动分子机器的运动可以转化为集体运动。在这个系统中，集体运动是由光引起的，而不能通过热或化学反应来实现。

图|微柱阵列中的集体自调节变形动力学

图|更复杂的几何形状

展望未来

这项研究的下一个前沿研究可能是通过跨越微细加工技术，转而通过组成分子之间的相互作用诱导纤毛自发生长来制备人造纤毛。另一个挑战是设计一种方法来避免需要定制照明条件，包括连续打开和关闭灯。

尽管作者表明，他们的人造纤毛可以表现出复杂的运动，让人联想到活生物体中的纤毛，但这些结构在功能方面尚未与天然纤毛相媲美。在生物系统中，纤毛的节律运动用于使细胞游泳并支持各种运动动力学，从而使细菌能够生存和竞争行为。从运动到运动需要材料表现出比该研究更好的性能，需要更小的结构、更快的运动和更高的振荡幅度。但是，该研究代表了朝着功能性人造纤毛迈出的关键一步。在这一过程中，它无疑将激发微流体技术的进步，甚至可能推动我们对纤毛和细胞运动的理解。

值得注意的是，就在去年4月份，该课题组（其中李姝聪同为第一作者）在Nature报道了一种两层动态策略实现了细胞微结构基本拓扑结构的系统可逆变换，可应用于各种材料和几何形状。该策略为系统地操纵拓扑转换提供了机会，为拓扑-维度-材料关系和潜在的多尺度物理化学机制的基础研究提供了平台。

参考文献：

1. Li, S., Lerch, M.M.,Waters, J.T. et al. Self-regulated non-reciprocal motions in single-materialmicrostructures. Nature 605, 76–83 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04561-z

2. Nature 605, 37-38(2022).

https://doi.org/10.1038/d41586-022-01080-9

3. Li, S., Deng, B.,Grinthal, A. et al. Liquid-induced topological transformations of cellularmicrostructures. Nature 592, 386–391 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03404-7