Hydrodynamics converts chiral flagellar rotation into contactless actuation of microdiscs

活跃的细菌是自然工程杰作：微型引擎将生化能转化为其所需探索环境的能量。在此基础能量的驱动下，使周围流体偏离平衡状态的浴液呈现不同于热力学平衡的特性。细菌浴液比热力学涨落更为活跃地扰动悬浮的球体，可为微型活片提供能量。以往研究表明，提取能量的关键在于活片的非对称形状，以纠正与细菌相互作用的力。与此前结果不同，本文表明游动的大肠杆菌可驱动盘的持续旋转，而无需非对称结构。结合最先进的纳米印刷技术、单个细菌动力学的定量测量以及流体动力学建模，我们阐明了机制，表明鞭毛的逆旋转与细菌体的相对运动导致扭矩偶极子及对盘的牵引，从而引起旋转。值得注意的是，此机制独立于细菌在盘下方的导航方向或取向，因此是叠加且无接触的。鞭毛细菌的扭矩偶极子与简单几何约束的相互作用，将这种流体动力学机制桥接了尺度，将细菌纳米运动器的手性特性转化为对至少大十万倍更大尺度物体的操控。该研究为开发新型混合微型机器人提供了基础，后者可利用活体微生物实现微尺度受控运动。我们的发现为进一步理解细菌流体动力学提供了基本见解，为开发自主、自供能的微型盘开辟了新途径。