导语：为了将微粒操纵到特定位置，科学家经常使用“棘轮运输”技术，该技术利用时变电场来鼓励运动。理论研究表明，即使没有随时间变化的电场，也可以利用“粒子密度”或某个区域中的粒子数量来开发具有“静态”电场的新型棘轮传输系统。现在，东京工业大学(Tokyo Tech)的科学家已经证明，通过实验研究可以做到这一点。
教会我们从宏观上宏观看待的科学，也同样强调在微观层面上看待微观的重要性。毕竟，这通常是解决许多人类问题的答案。为了寻求微观答案，科学家提出了许多令人难以置信的解决方案，而这种创新之一就是片上实验室设备。可以说，该器件在单个毫米大小的集成电路上具有许多“实验室功能”。这些筹码是一个启示。他们在从医学到环境科学的广泛领域中找到了用途。
然而，制造这些芯片是一项艰巨的任务。由于每个芯片的微观性质，组装它需要在微观水平上起作用的技术，特别是将颗粒从一个位置移动到另一位置的技术。构建微观比例的设备和建造砖墙是非常不同的，因为微观世界在与我们自己的宏观宇宙完全不同的规则下运作。在此下方，重力几乎没有力量将粒子固定在适当的位置，而电位的最小变化可能会消除数小时的精心操作。
一种解决方案是使电势“不对称地”修改为将牧羊微观颗粒移动到需要它们的地方。这项技术称为“棘轮运输”，可用于移动不动的粒子，例如分子和胶体。但是，控制不对称电位至关重要。科学家提出了许多理论来克服这一问题，但是没有研究将这些理论付诸实践。
东京理工大学的一个研究小组由Masahiro Takinoue博士领导，决定超越传统的棘轮方法，转而选择一种新技术来观察拥挤在一起的粒子之间的相互作用，并在Advanced Intelligent中发表了他们的发现。系统。他们的理论是，拥挤的粒子会相互影响并导致棘轮运输，从而加快了棘轮运输技术的发展。用Takinoue博士的话说，“一个成功的实验将促进芯片实验室设备和电控分子机器人中智能应用程序的开发。”
该团队使用金在玻璃显微镜载玻片上创建了两个二维的“锯齿”电极，如图1所示。电极的锯齿形产生了静态的不对称电场，而不是随时间变化的电场，从而促进了运动。 。研究小组使用这些电极分布不对称电场，观察到稀疏分布的微观聚苯乙烯颗粒以可预测的方式来回运动。但是，当粒子挤在一起时，粒子彼此相互作用并进行单向运动，成功地从电极的一端向另一端迁移，如图2所示。
图1.双锯齿电极
双电极上的锯齿形允许不对称电场，从而促进运动。
图2.稀疏和拥挤的粒子导致不同的运动
在这里，稀疏填充的粒子以稳定的“来回”运动运动，被困在相同的位置。另一方面，拥挤的粒子稳定地向顶部迁移，表明粒子已成功进行单向传输。
利用这些发现，研究小组开发了一个抽象模型来说明集体棘轮运输。该模型成功地描绘了实验中观察到的拥挤行为，证实了在人群中颗粒相互作用将对棘轮运输技术产生积极影响的理论。
Takinoue博士希望这项研究“可以导致微米级规模的运输技术的发展，该技术具有复杂的功能，例如改变运输方向，根据颗粒形状和大小进行分选”，从而使我们能够构建新的微型-机器人学，片上实验室设备和其他可挽救生命的微技术。