全新形態液體無需外力自主流動，美科學家顛覆流體力學認知

編者按：人往高處走，水往低處流。流體的運動向來是受外力驅動的。為了將水、油等液體從一個地方傳輸到另一個地方，人類依賴泵等機械給液體施加壓力，建立了現代流體力學的體系。

然而，一隊來自美國的科學家卻發明了一種全新的物質：這也是一種液體，但與傳統液體不同，它不需要泵等外力，而是依靠自身的動力，就可以沿著管線流動！這種主動流體將有可能改變現有的流體輸送格局，有助於人類建造全新形態的大型機械設備。該論文發表在 3 月 24 日的《科學》（Science）雜誌上。

瀑布需要重力一瀉而下，家裡的自來水可以流出則是水泵的離心力在不停地對抗重力，使之逆著重力的方向流入高樓大廈的管道里。如果沒有外力，比如在宇宙空間站中，液體就會維持原有運動狀態（如相對靜止），除非宇航員碰一下，否則哪裡也不會去。

這是我們熟悉的世界，也是現代流體力學建立的基礎——液體需要外力作用才能運動。在包括重力在內的各種外力的作用下，液體會呈現出層流、湍流等多種形態。從伯努利開始，直到在包括錢學森在內等眾多科學家的努力下，流體力學的發展為人類上至航空航天、下至自來水管的現代社會做出了卓越的貢獻。

在軌運行的宇宙空間站中的液滴。由於沒有外力的作用，液滴靜止地懸浮在空間站的艙室里，在表面張力的作用下，形成一個完美的球形。如果宇航員不吹一口氣，它自己是不會動的。

本來，固體也是一樣的，不受外力也不會動。然而，人類科技卻給一些固體（比如汽車）裝上了馬達，只需消耗燃料，這些固體大塊頭就可以在看似沒有外力的驅動下（比如一匹牽引的馬）自己移動。汽車的英文「automobile」就是自己會動的意思。

固體組成的機械因為有固定的形狀，可以在固定的位置安裝馬達等動力系統，從而實現自主運動。但給無固定形狀的流體裝一個馬達，讓其可以自己沿著管道爬進水管，爬上高樓大廈，聽上去就絕對是異想天開了。

然而，3月24日的《科學》雜誌上，卻登出了這樣一篇論文。美國布蘭迪斯大學（Brandeis University）材料研究科學與工程中心的科學家們藉助生物科技，給液體裝上了分子馬達，發明出一種可以無需藉助外力、只依靠自身動力就可以流動的主動流體。只要這些馬達的燃料——ATP（三磷酸腺苷，細胞內傳遞能量的分子載體，是細胞進行幾乎所有活動的「汽油」）不耗盡——這種全新的流體就可以自己沿著管線前進！

這些流體沒受任何外力的作用，就「喝」了點ATP，就可以自！己！流！

這項研究為人類開啟了一扇全新的大門：這是一種有別於已知所有流體的全新「物質」。如果更多的、更高效的類似流體被研究出來，無需水泵等裝置，人類就可以把流體送到各個角落。就像只需鋪設鐵軌，火車就可以自己跑一樣，只需鋪設管線，石油、水就可以自己到達！

如此神奇的表現顯然不是普通流體做得到的。科學家們利用細胞運動的原理，使用了生物原材料，製造出了一種組成結構十分精巧的液體。下面就是一個結構單元的示意圖：

主動流體核心結構單元。由三大部分組成：馬達、微管、膠束。膠束通過排空效應把兩個微管平行地擠在一起。微管間的馬達與兩個微管同時連接，並向兩個微管的正極運動，導致該微管系統縮短、延長、分離、再與其他微管連接。正式這種基於生物原料的微觀結構，實現了主動流體的微觀流動。

該單元由三種細胞內常見的大分子結構組成：1）微管、2）馬達、3）膠束。下面，我們就逐一解釋一下它們各自是什麼，以及為什麼這三種結構就可以讓流體自己動起來。

1）微管（上圖中綠色長管）：

微管（英語：Microtubule）是一種由蛋白組成的細長、中空的圓柱體。它們遍佈於生物細胞內的許多地方，是細胞的一個非常重要的結構。細胞之所以可以維持一定的形狀，或者在需要的情況下改變自身的形狀，便是有賴於微管和其它結構組成的「細胞骨架」。

細胞骨架是一個非常複雜的系統，通過自身的生長、收縮、彎曲等變形，細胞才得以實現形狀的改變，以適應不同的環境。

細胞內複雜的微管系統。它們維持著細胞的形態，並支持著細胞內各種物質的運輸。（中間沒有微管的中空圓球為細胞核所在的位置）

此外，如果把細胞比作一個建築，微管除了是這個建築的鋼結構，還是建築的供應管線。微管是細胞內各種物質的重要運輸平台，並參與許多重要的活動，比如中學生物中熟悉的「有絲分裂」的「絲」，就是由微管組成的。而在主動流體中，也正是由於微管的運動，才實現了流體的運動。

然而，微管自己是不會動的。微管的運動，需要與之搭配的「分子馬達」：一種可以在微管表面做相對運動的結構。

2）馬達（圖中微管之間的紅色連接）：

所謂的分子馬達，是一種叫做驅動蛋白的東西。本研究中，分子馬達是主動流體的動力來源。這個驅動蛋白可是一個萌物。不信？請看下圖：

驅動蛋白位於微管上。微管存在極性，驅動蛋白會在微管上朝向一個方向運動。主動流體中，兩跟微管被按照相反的極性平行放置，同時連接兩根微管的驅動蛋白就會讓這兩跟微管相對滑動。

正是驅動蛋白與微管的結合，才使得細胞中的微管組成的結構可以運動。微管很是神奇，有著自己的極性，如圖3中所示，一端為正極（+），一端為負極（-）。可以在微管表面運動的驅動蛋白也有很多種，其中的一種可以只會沿著微管的一個方向移動。

布蘭迪斯團隊發明的主動流體中，驅動蛋白就會沿著微管的正極（+）大踏步前進。科學家們巧妙地將兩根微管按照相反的極性平行放置，並在兩個微管之間「安裝」分子馬達，同時與兩個微管連接起來。驅動蛋白不停地向兩個微管的正極靠近，就會導致圖2中左邊的微管向下，而右邊的向上。因此，在馬達的驅動下，由兩根微管組成的系統便因此相對彼此滑動，實現了結構的伸縮。

液體流動的顯微圖

3）膠束：

那麼，又是什麼讓兩根微管乖乖待在一起，而不分開呢？答案是膠束（圖3中周圍的紫色顆粒）。在一種叫做「排空效應」的力的作用下，分子較大的微管被分子較小但數量多得多的膠束擠壓到了一起。

本研究中，科學家從牛的大腦細胞內提取了微管。在膠束的約束和馬達的驅動下，這些微管通過自身的縮短、延長、分離、重建，帶動著周圍的水性溶液跟著一起運動，從而形成微小的湍流。

本來，這些微管的運動可以帶動一些湍流也沒什麼神奇的。然而，科學家忽然在實驗中發現，如果把這種流體放置於一些特定的三維流道結構中，微管運動產生的小湍流竟然可以自己組織（self-organize），形成沿著同一方向平行流動的宏觀流體！

而且，只要 ATP 不斷頓，它們可以一直流好幾個小時，直到「燃料」耗盡為止！神奇的、不依賴外界動力、自身在微觀層面就有前進動力的主動流體就這麼誕生了！

帶有微管結構的流體由普通湍流變為宏觀平行流的過程。當流道較淺時，分子馬達驅動下的微管系統雜亂無章（右上），細小的湍流各自為戰（右下），組成混亂、隨機的流動格局。然而，當流道加高時，更多的微管與流道表面結合，形成相互平行的系統結構（左上），而這些微管形成的湍流竟然可以相互作用，推動周圍流體沿著圓盤平行繞圈（左下），實現宏觀上的、攜帶大量動能的自主主動流動！

這種由小湍流合成的宏觀平行流動的方向是隨機的，可以是順時針方向，也可以是逆時針方向。然而，如果對圓弧形流道的表面稍加改變，在表面增加一些鋸齒形的凹凸結構，科學家們就可以進而控制流動的方向。

更進一步，科學家們設計了很複雜的管路來測試主動流體的「智力」水平。實驗發現，不論是直道還是彎道，主動流體都會從容流過，但如果是末端封死的死路，它們還會很聰明地停下。這讓科學家們意識到，使用這種主動流體構建複雜流體輸運網路、甚至依賴主動流體設計全新機械設備的可能性。

主動流體還很聰明，死路它們還不過去！

當然，這只是人類發明的第一種主動流體，依賴難以獲取的牛腦細胞，和最多幾個小時就會耗盡的生物能量。

不過，實驗中的管路雖然只有1毫米寬，但相對於直徑十幾微米的微管來說，這已經是非常巨大的尺寸了。而且，科學家們發現，形成自組織平行流動的條件非常寬泛，在許多不同尺度下都可以實現。

這一令人欣喜的發現意味著，人類將有可能在此基礎上，進一步開發出更多的主動流體。在較微小的尺度上，布蘭迪斯大學的這一團隊已經實現了用生物原料製造微觀流體機械的可能性。下一步，我們期待科學家們可以使用非生物原料、製造出更加宏觀尺度的主動流體，讓人類對流體的了解和應用站上一個全新的高度。

也許有一天，當人們需要把石油從油田運到煉油廠時，將不再需要複雜的管網與精密的壓力控制，而是只需告訴石油哪裡需要它，它就可以自己克服關山險阻，聰明準確地流過去呢！

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