麻省理工學院媒體實驗室的研究人員設計了一種微型天線，該天線可以在活細胞內(nèi)進行無線操作，因為天線具有實時監(jiān)測甚至指導細胞活動的潛力，從而為醫(yī)療診斷和以及其他科學過程開辟了可能性。

麻省理工學院媒體實驗室助理教授兼 AT&T 職業(yè)發(fā)展主席兼 Nano-Cybernetic Biotrek 實驗室負責人 Deblina Sarkar 說：“這項研究令人興奮的方面是我們能夠在細胞規(guī)模上創(chuàng)造機器人?！?nbsp;“我們能夠在細胞水平上融合信息技術的多功能性，這是生物學的基石?！?/span>

一篇描述這項研究的論文今天發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

這項被研究人員命名為 Cell Rover 的技術代表了可以在細胞內(nèi)運行并與 3D 生物系統(tǒng)兼容的天線的演示。Sarkar 說，典型的生物電子接口尺寸只有幾毫米甚至幾厘米，不僅具有高度侵入性，而且無法提供與單個細胞無線交互所需的分辨率——尤其是考慮到即使一個細胞的變化也會影響整個生物體。

Sarkar 團隊開發(fā)的天線比細胞小得多。事實上，在該團隊對卵母細胞的研究中，天線只占細胞體積的不到 0.05%，遠低于會侵入和損壞細胞的尺寸。

找到一種方法來制造這種尺寸的天線以在細胞內(nèi)工作是一項關鍵挑戰(zhàn)。

這是因為傳統(tǒng)天線的尺寸需要與它們發(fā)射和接收的電磁波的波長相當。這樣的波長非常大——它們代表光速除以波頻率。同時，增加頻率以降低該比率和天線的尺寸會適得其反，因為高頻會產(chǎn)生對活體組織造成損害的熱量。

媒體實驗室研究人員開發(fā)的天線將電磁波轉(zhuǎn)換為聲波，其波長比電磁波的波長小五個數(shù)量級——代表聲速除以波頻率。

這種從電磁波到聲波的轉(zhuǎn)換是通過使用稱為磁致伸縮的材料制造微型天線來完成的。當向天線施加磁場，為其供電和激活時，磁致伸縮材料內(nèi)的磁疇會與磁場對齊，從而在材料中產(chǎn)生應變，就像編織到一塊布上的金屬鉆頭可能對強磁鐵產(chǎn)生反應一樣，導致布料扭曲。

Sarkar 實驗室的學生、這項工作的主要作者 Baju Joy 說，當向天線施加交變磁場時，材料中產(chǎn)生的變化的應變和應力（壓力）會在天線中產(chǎn)生聲波。“我們還開發(fā)了一種使用非均勻磁場將漫游車引入細胞的新策略，”喬伊補充道。

Sarkar 說，以這種方式配置的天線可用于探索自然過程發(fā)生時的生物學基礎。Cell Rover 不是像通常那樣破壞細胞以檢查其細胞質(zhì)，而是可以監(jiān)測細胞的發(fā)育或分裂，檢測不同的化學物質(zhì)和生物分子，如酶，或物理變化，如細胞壓力——所有這些都是實時和體內(nèi)。

研究人員表示，聚合物等材料會隨著化學或生物分子的變化而發(fā)生質(zhì)量或應力變化——已經(jīng)用于醫(yī)學和其他研究——可以與 Cell Rover 的操作相結合。這種整合可以提供當前涉及破壞細胞的觀察技術無法提供的見解。

有了這樣的能力，細胞漫游者在癌癥和神經(jīng)退行性疾病研究中可能很有價值，例如。正如 Sarkar 解釋的那樣，該技術可用于檢測和監(jiān)測與疾病在單個細胞中的進展相關的生化和電學變化。該技術應用于藥物發(fā)現(xiàn)領域，可以闡明活細胞對不同藥物的反應。

由于晶體管和開關等納米電子設備的復雜性和規(guī)模——“代表了信息技術領域 50 年的巨大進步，”Sarkar 說——帶有迷你天線的 Cell Rover 可以執(zhí)行各種功能細胞內(nèi)計算和信息處理，用于細胞的自主探索和調(diào)制。研究表明，即使在單個細胞內(nèi)，也可以使用多個細胞漫游者在它們之間和細胞外進行通信。

“Cell Rover 是一個創(chuàng)新概念，因為它可以將傳感、通信和信息技術嵌入活細胞，”麻省理工學院工程學院院長、Vannevar Bush 電氣工程和計算機科學教授 Anantha P. Chandrakasan 說。“這為極其的診斷、和藥物發(fā)現(xiàn)開辟了前所未有的機會，并在生物學和電子設備的交叉領域創(chuàng)造了新的方向。”

研究人員將他們的細胞內(nèi)天線技術命名為 Cell Rover，以像火星探測器一樣調(diào)用其探索新領域的使命。

“你可以把 Cell Rover 想象成一次探險，探索細胞的內(nèi)部世界。”Sarkar 說。