科大研全球首個仿生人工纖毛系統 為未來醫療及工程微型機械人應用開創新方向

香港文匯報訊（記者 楊梓穎）纖毛廣泛存在於人體之中，屬於微米級毛狀結構，主要負責清除呼吸道黏液、推動腦脊液循環流動，以及協助與生殖相關的體內運作。科研界多年來一直嘗試模仿纖毛精密的機械特性，但要在人工系統中重現其逼真高速與協調運動，始終是一大挑戰。香港科技大學（科大）研究團隊成功研發全球首個可模仿人體天然纖毛進行快速、複雜及三維運動的人工纖毛系統，標誌着仿生軟物料及微型工程領域取得重大突破。相關研究成果已發表於《自然》期刊，論文題為《三維列印低電壓驅動水凝膠纖毛微型致動器》。

是次研究由科大機械及航空航天工程學系助理教授胡文琪領導。團隊通過整合多項尖端技術，成功突破相關瓶頸。他們利用高精度3D打印技術，製作出體積微小且高度柔韌的仿生結構，並進一步優化水凝膠內部結構，加快離子傳輸速度，使人工纖毛得以迅速而靈敏地運作。

此外，研究團隊亦自主研發微型電極系統，可對每一根纖毛作獨立控制，從而實現高度協調及可程式化的運動模式。綜合多項創新成果後，這套人工纖毛系統在運行速度、動作複雜度及耐用性等方面，均達到前所未有的水平。

科大亦牽頭與德國斯圖加特馬普智能系統研究所合作，引入對方在微型機械人領域具國際領先水平的專業知識及實驗驗證技術；同時與土耳其科奇大學攜手，充分結合其在物理智能及系統層面整合方面的優勢。透過跨國協作，研究團隊成功製備出可由極低電壓驅動的水凝膠微纖毛，其驅動電壓與一般家用電池相若。當內部帶電粒子在電場作用下移動時，纖毛便可產生可控彎曲；研究人員亦可透過調整輸入電信號，令纖毛展現如生物般複雜的彎曲及旋轉運動。

胡文琪表示，以往的人工纖毛在速度、柔軟度或控制精度方面均有所不足，而其團隊的設計則首次將天然纖毛的關鍵特性集於一身，包括柔軟、快速、耐用，並可在大規模陣列中同步運動。他指出，這項研究為理解纖毛在健康狀態下的運作機制邁出關鍵一步，亦為未來需在微尺度上進行精準流體操控的醫療及工程應用奠下重要基礎。

隨着相關技術逐步邁向臨床應用階段，如何確保其長期安全性與生物相容性將成為關鍵課題。目前，科大研究團隊正積極推動人工纖毛技術由實驗室概念驗證走向更具應用導向的系統，包括擴大製作規模、整合傳感與回饋操控機制，以及在更貼近真實情境的生物環境中進行性能測試。

除醫療用途外，人工纖毛在多個技術領域亦極具應用潛力。相關技術可於微流控系統中充當微型泵或混合器，毋須依賴體積龐大的機械組件；在機械人領域，其輕柔而精細的運動特性，亦有望為可在狹窄或複雜環境中運作的超微型機械人，開拓全新的移動及操控方式。此外，該技術亦可望推動先進製造、環境監測，以至柔性可穿戴裝置等需要於微尺度下實現高效且可控運動的應用場景發展。這項研究亦屬於更廣泛的國際仿生微型機械人研究領域，目標是開發能借鑑生物系統運動機制的微小機器，並使其以類似生命體的方式與周遭環境互動。