科大開發全球首個仿生人工纖毛系統

香港科技大學（科大）研究團隊成功研發出全球首個能模仿人體天然纖毛快速、複雜及三維運動的人工纖毛系統，在仿生軟物料及微型工程領域邁出重要一步。這項突破性研究成果已發表於《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》。

纖毛遍布人體，屬微米級毛狀結構，負責清除呼吸道黏液、推動腦脊液循環流動，並協助生殖相關的體內運作。儘管科研界多年來致力模仿其精密機械特性，但在人工系統中重現其逼真高速與協調運動，一直是極具挑戰性的任務。

由科大機械及航空航天工程學系助理教授胡文琪教授領導的研究團隊，通過整合多項尖端技術成功破解難題。團隊運用高精度3D打印技術，製作出體積微小且具高度柔韌性的仿生結構，並進一步優化水凝膠的內部結構，以加快離子傳輸速度，使人工纖毛能夠迅速且靈敏地運行。此外，研究團隊自主研發的微型電極系統可對每一根纖毛進行獨立控制，實現高度協調且可程式化的運動模式。結合上述創新成果，人工纖毛於運行速度、動作複雜度及耐用性等方面，均達至前所未有的水平。

科大亦牽頭與德國斯圖加特馬普智能系統研究所的合作，引入其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；同時亦與土耳其科奇大學合作，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，研究團隊成功製備能以極低電壓（與一般家用電池相若）驅動的水凝膠微纖毛，其內部帶電粒子可在電場作用下移動，使纖毛產生可控彎曲。研究人員亦可透過調整電信號輸入，產生如生物一般複雜的彎曲及旋轉運動。

胡文琪教授表示：「以往的人工纖毛在速度、柔軟度或控制精度上皆有所不足。我們的設計首次將天然纖毛所有關鍵特性集於一身：柔軟、快速、耐用，並能在大規模陣列中同步運動。」

他續指：「這項研究為理解纖毛在健康狀態下的運作機制邁出了關鍵的第一步，亦為未來須在微尺度上進行精準流體操控的醫療及工程應用奠定了重要基礎。」

隨着相關技術逐步邁向臨床應用階段，確保其長期安全性與生物相容性至關重要。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轉化為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。

除醫療應用外，人工纖毛在多個技術領域亦極具應用潛力。有關技術可在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，有望為在狹窄或複雜環境中運作的超微型機械人帶來全新的移動或操控方式。此外，這項技術亦可推動先進製造、環境監測，乃至柔性可穿戴裝置等需要在微尺度下實現高效且可控運動的應用場景。

這項研究屬於更廣泛的國際仿生微型機械人研究領域，致力於開發微小機器，使其能夠借鑑生物系統的運動機制，並以類似生命體的方式與周遭環境互動。