细菌通过利用力学响应局部变化的物理和化学条件而显示出显着的可塑性。合规结构通常有助于他们的出租车行为在复杂和结构化的环境中导航。生物启发的微生物机制包含合理设计的结构，能够进行大的非线性变形，从而将自主性引入到工程化的小型设备中。
在最近的一项研究中，HW Huang及其在机械工程，应用数学和理论物理系的同事分析了低雷诺数下水动力和局部环境流变对游泳的影响。在这项工作中，他们确定了在运动中使用弹性 - 水动力耦合的挑战和益处，以开发一套机器来构建具有自调节机动性的无绳微机器人。在没有板载传感器的自适应运动过程中，科学家们能够证明人造微型振动器的结构和磁性与流体的动态特性之间的耦合。结果现已发表在Science Advances上。
微生物含有多种分子运动机制，可有效驾驭复杂的环境和生态环境。在细菌中，游动起因于致动的鞭毛，细胞体和由流动产生的阻力之间的机械相互作用。低雷诺数下的粘性力是造成流体动力阻力的原因，而流动阻力又取决于运动物体的形状。
为了优化其运动性，细菌可以在其生命周期中采用其他形状和大小。除了改变体形外，细菌还可以使用推进系统在复杂环境中进行高级运动。例如，通过弯曲钩子，Caulobacter crescentus可以增强运动性，而溶藻弧菌在攀爬营养梯度方面可以胜过多鞭毛的大肠杆菌，因为鞭毛屈曲不稳定。此外，Shewanella putrefaciens可以通过鞭毛丝中的多态转变逃脱物理陷阱。
研究人员通过生物启发微工程开发的微观人工游泳运动员穿过体液，穿过生物屏障并进入疾病的远程位点，可以彻底改变靶向疗法。该领域的开创性工作已经证明了模拟原核或真核鞭毛以构建具有非互易运动的磁控微型模拟器的可行性。然而，与活细胞不同，这些机械装置不能感知其局部环境或适应身体状况的变化。控制人造材料可以为构建可调节，耐用和强大的工程解决方案铺平道路，例如自动生物混合机器人设备。
在目前的工作中，Huong等人。介绍一种基于材料制造的简单而通用的方法来设计磁控软微机械。该概念基于由纳米复合水凝胶单层设计的3-D可重构多体系统。在同一研究小组以前的工作中，Huang等人。详细描述了自折叠微机械的形状和磁化分布，其中通过将磁性纳米颗粒(MNP)结合到图案化的水凝胶层中可以独立地编程结构。
在这项研究中，科学家提出了一套设计策略，通过粘性，弹性，磁性和渗透力之间的相互作用来自我调节运动和机动性。黄等人。证明了可重构体可以根据周围的流体连续变形，通过收缩运动，增强机车性能。他们表明，在形状变换和步态调整中的弹性 - 液力耦合可以允许微型飞机在受阻，异质和动态环境中导航。
黄等人。使用生物启发运动和称为kirigami的折纸变体设计软微型微动物。符合要求的3-D微结构由用MNP(磁性纳米颗粒)增强的热响应凝胶设计。在制造过程中，科学家们开始通过光刻法进行切割，并在聚合层水合时进行折叠。沿着厚度方向的MNP的不均匀分布允许形成具有显着不同的溶胀比的两个不同的水凝胶层。
研究人员专注于三种微生物配置，包括C. crescentus，Helicobacter pylori和Borrelia burgdorferi。细菌通常通过旋转从细胞体延伸的螺旋桨状鞭毛丝来游动。如果机器的磁矩垂直于其长轴，则运动的仿生可以允许人工微型振动器移动。然而，通过将它们的长轴与外部磁场的方向对准，这些结构类似于罗盘针。为了克服这种限制，Huang等人改变了材料中先天MNP的面外对准，同时保持面内粒子对准不变。
为了优化不同粘度下的运动，微结构获得了不同的步态。系统地探索形态多样性的潜在优势Huong等。制造具有不同车身平面图的微型瞄准器，并在具有不同粘度的流体中驱动它们。科学家们能够通过协调它们的形态和磁化曲线来设计遵循三维螺旋轨迹的微型模拟器。在所有实验中，雷诺数范围为10 -2至10 -4 ; 表示在层流下游泳。
在具有与血液相同粘度的蔗糖溶液中，与其他原型相比，具有柔性平面尾部和管状体的鞭毛微型微动物通过螺旋运动更快地移动。鞭毛式微型模拟器受益于螺旋和螺旋形运动，而螺旋式微型模拟器则进行螺旋形运动。然而，在增加的粘度期间，所有微型模拟器的运动减少，但具有平面尾部的鞭毛微型模拟器的下降最高。在较高的粘度下，Huong等人观察到螺旋微动臂是最快的，因为在这种情况下唯一相关的运动是螺旋形运动。
除了运动之外，调节运动(机动性)的能力在细菌中起到关键作用，以感知和检测营养物质的梯度。科学家们通过诱导偏航角的偏转来测试人造微型旋臂的可操作性(游泳时)。高度机动的微型测光仪可以通过控制信号的微小变化快速改变其运动方向。在较强的扰动(45度偏航旋转)期间，身体和尾部几何形状在柔顺微型振动器的响应中起重要作用。在结构上，身体对尾部之前的控制信号作出响应，因为身体的磁化强度更高。具有平坦尾部的游泳者对不稳定性具有更高的敏感性，由于螺旋几何形状的更高刚度，螺旋尾部可以相对地有助于稳定。
科学家们准备了管状机器来探索体型和粘度对机动性的综合影响。他们能够动态地重新磁化身体，以提供一种根据需要调节运动性和机动性的方法。他们发现，无论粘度如何，较小的车身尺寸通过降低旋转阻力和增加的磁扭矩提供了相对优势。
Huong及其同事通过磁力，细丝柔韧性和粘性阻力之间的耦合来确定柔顺游泳者的推进效率。他们研究了弹性流体动力学特性，以响应粘度变化引发步态转变。科学家观察到微粘度尾部的粘度和频率更高。观察到的形态转变或转化促进了螺旋状运动以增强微生物运动性。
基于运动和机动性的综合策略，研究中获得的数据表明，具有平面尾部的管状体优选以低粘度游泳。相比之下，螺旋形态在较高粘度下可以表现得更好。Huong等。构造了可磁性重新配置的微型探测器，以根据外部条件在两种配置之间进行形状转换。尽管粘性力增加，但编程的微型旋臂可以改变形状以获得持续的前进速度和增强的机动性。
通过这种方式，仔细分析不同粘度下的游泳性能，为制造单个微机械提供了指导。为了解决微纳米尺度的导航问题，Huong等人。减少了要控制的元件数量，从而获得速度，多功能性和成本的优势。微型计算机可以通过高吞吐量和可扩展的方法制造，为医疗和工业应用开发一系列软微型机器人打开大门。