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2025-06-11 09:00:43
【导语】纹身，不仅是人类表达个性的方式，如今也成为了科学研究的创新领域。从NBA巨星科比到英国球星贝克汉姆，纹身承载着他们的个人情感与故事。然而，在Nature4月的“最佳科学图片”中，纹身的主角却换成了史无前例的微小生物——水熊虫。西湖大学仇旻团队利用冰刻技术，在活体水熊虫身上实现了精准微纳加工，这些微小的“纹身”不仅展示了超高精度的纳米技术，更预示着纳米级医疗设备和活体微型机器人的新时代。这项突破性的研究，将水熊虫这一地球上最顽强的生命体，与人类探索微观世界的科技梦想紧密相连。
关于纹身，有几个经典的桥段：
如NBA巨星科比，在右大臂纹上著名的“蝴蝶皇冠”和翅膀，以此向妻子示爱；如英国球星贝克汉姆，侧腰一串行云流水的“生死有命富贵在天”，引得无数球迷(mí)折(zhé)腰(yāo)。
水熊虫被选为Nature4月“最佳科学图片”，并登上网页头条
Nature4月的“最佳科学图片”，也选了一张纹身图，只是对象有点特殊：一头身长仅0.5毫米的水熊虫，史上第一次获得了波点“纹身”，并且，它还活着。
拥有这一精湛技艺的“纹身师”来自杭州西湖。
近日，Nature，Science，Discover Magazine，Phys.org等37家海外科学媒体报道：西湖大学仇旻团队采用(yòng)冰(bīng)刻(kè)技术首次在活体水熊虫表面实现精准微纳加工，这些微小的“纹身”展现了超高精度的纳米加工技术和极佳的生物相容性，或将开启纳米级医疗设备甚至活体微型机器人的新时代（相关论文发表在Nano Letters上，入选当期补充封面，西湖大学博士研究生杨治蓉为文章的第一作者，赵鼎研究员和仇旻教授为通讯作者）。
Science报道西湖大学仇旻团队最新研究成果
“冰刻”奇想
时间回溯到五年前。2020年岁末，西湖大学仇旻实验室成功上演了一出微观秀：研究者用电子束作刻刀，在头发丝千分之一粗细的尺度上，用水蒸气凝华形成的冰层取代传统光刻胶，完成了精密的“冰上雕刻”。
当时，团队曾在研究论文结尾大胆预言：这或许可以进一步实现微纳尺度的活体生物加工。这个现场实景“翻译”为——在一次组会讨论中，研究员赵鼎提出：“如果用‘冰刻’技术在蚂蚁头上刻个‘王’字(zì)，它(tā)回(huí)到(dào)蚁(yǐ)穴(xué)后(hòu)会(huì)怎(zěn)么(me)样(yàng)？”“冰(bīng)刻(kè)”，通(tōng)俗(sú)地(de)讲(jiǎng)，就(jiù)是(shì)把(bǎ)传(chuán)统(tǒng)光(guāng)刻(kè)加(jiā)工(gōng)用(yòng)到(dào)的(de)“光(guāng)刻(kè)胶(jiāo)”，替(tì)换(huàn)成(chéng)“冰(bīng)”。这里的“冰”，既可以是日常所见的水冰，也可以是有机分子低温凝结(jié)形(xíng)成(chéng)的固体。
电子束打在冰层上，能直接雕刻出冰模板，不需要像传统光刻那样用化学试剂清洗一遍来形成模具，从而规避了洗胶带来的污染。也正是这种巧妙的替换，为冰刻技术应用在活体生物上提供了契机。看似天马行空的想象，在科学家眼里却没什么是“不可能”。研究团队开始寻找合适的实验对象。它要满足两个条件：
其一，本身要小，才需要施展精确至微纳米尺度的“冰刻”技术；
其二，要具备一定的耐受力，保证实验对象在结束时“能走、能跑、能(néng)跳(tiào)”，是(shì)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)需(xū)要(yào)面(miàn)对(duì)的(de)极(jí)大(dà)考(kǎo)验(yàn)。
此(cǐ)时(shí)，身(shēn)体(tǐ)短(duǎn)胖(pàng)，分(fēn)5个(gè)部(bù)分(fēn)，有(yǒu)4对(duì)短(duǎn)腿(tuǐ)，末(mò)端(duān)有(yǒu)爪(zhǎo)或(huò)吸盘，号称“地表最强生物”的水熊虫，闯进研究团队的视野。它身材微小，但生存能力极强，能在-273℃到151℃的极端环境中存活，对极端脱水、强辐射、高压及有毒环境也有很强的耐受力，成为本次研究的“不二虫选”。
蹲在山上挖苔藓的博士生
杨治蓉蹲在潮湿的背阴处，用手中的镊子轻轻拨动苔藓，眯起眼睛仔细观察其中是否有水熊虫的踪迹。作为本研究的第一作者，这名电子信息技术专业的博士生，很长一段时间里的科研日常，就是在各种山上挖苔藓。“冬天还好，夏天挖苔藓时总要被蚊子围攻，花露水腌入味了都不管用。”她笑道。在这些看似普通的绿色苔藓下，就藏着地球上最顽强的生命体“水熊虫”。它身长不足1毫米，在显微镜下放大100倍，才勉强达到人类指甲盖大小。
所以，捉虫过程要在显微镜下进行，还不能是一般的显微镜，必须是有一定操作空间的体式显微镜。
杨治蓉在山上挖苔藓捉水熊虫
杨治蓉先将采集的苔藓用泉水浸泡一整晚，让水熊虫充分苏醒，接着摇动苔藓，使牢牢抱着苔藓的水熊虫脱落到水中，然后去掉大块的苔藓和碎石等杂质，就可以尝试在沉淀物中寻找水熊虫了。运气好的话，每挖一块苔藓，杨治蓉就能带回十几头水熊虫，运气不佳时，好几天徒劳无功也是常事。“最伤心的是，一整天只找到一只虫，然后捉的时候手一抖，把虫子弄丢了！”捉到的水熊虫会被杨治蓉精心喂养，“主要喂食它们喜欢的绿球藻，偶尔也会改善伙食，加入一点从生科院借来的莱茵衣藻”。她要确保每一只小虫都身体倍棒，以接受后续的“纹身”实验。实验室里不乏有特别害怕虫子的学生，每次组会汇报，杨治蓉都要反复发出预警：“今天我要展示我的小虫啦！有不少动图呦，害怕的记得闭上眼睛。”从小在山西农村长大的她，抓过鸡鸭，玩儿过蚂蚱，甚至徒手抓过一只蝙蝠塞进瓶子里当宠物。所以冥冥之中，她也成了水熊虫纹身师的“不二人选”。
杨治蓉参加浙江大学第三届微纳学术节
最强生物变身“娇气虫”
将一项基本成熟的技术，“移植”到一个新的实验对象身上，最初在杨治蓉眼里，这一次的研究“好玩”多于“挑战”。但在实验室里，很多时候理论与实践“不成正比”。活体实验，困难还是远超想象。杨治蓉疑惑不解，甚至很多次暴跳如雷，这个号称地表最强的家伙，“为什么在我手里变得如此脆弱？”脱水太快不行，氧气不够不行，空气流通快了也不行……一波一波的水熊虫用完了，实验还是没有达到预期效果，她不得不重回山上，继续挖苔藓。为什么水熊虫到了实验室就变成“娇气虫”？要展开实验，首先得让水熊虫进入隐生状态。隐生状态的水熊虫，身体紧紧缩成一团。这时它的代谢几乎停止，球形的身体形态更利于接受电子束的“雕刻”。接着，杨治蓉将特制的纳米有机冰膜覆盖在处于隐生状态的水熊虫身上，类似于在虫子周身覆盖上一层冰。实验开始后，通过电子束曝光，杨治蓉将指定区域的纳米冰膜转变为常温稳定的固体图案。此时，水熊虫身上便会刻上纹身图案。一番操作下来，从进(jìn)入(rù)隐(yǐn)生(shēng)状(zhuàng)态(tài)，到(dào)覆(fù)盖(gài)上(shàng)冰(bīng)膜(mó)，再(zài)到(dào)电(diàn)子(zi)束(shù)攻(gōng)击(jī)。这(zhè)其(qí)中(zhōng)的(de)每(měi)个(gè)步(bù)骤(zhòu)，杨(yáng)治(zhì)蓉(róng)都(dōu)得(de)保(bǎo)护(hù)好(hǎo)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)，确(què)保(bǎo)它(tā)们安然无恙，水熊虫才可能身披“纹身”苏醒。满怀期待、前功尽弃、重头再来，这几个词组成了杨治蓉和小虫相伴的每个日夜。终于，在一个普通的实验日下午，奇迹发生了。
水熊虫身披“纹身”苏醒
“它动了！”杨治蓉屏住呼吸，凑近显微镜。镜头下，水熊(xióng)虫(chóng)蜷(quán)缩(suō)的(de)躯(qū)体(tǐ)微(wēi)微(wēi)一(yī)颤(chàn)，随(suí)后(hòu)，细(xì)如(rú)发(fā)丝(sī)的(de)四(sì)肢(zhī)缓(huǎn)缓(huǎn)移(yí)动(dòng)，在(zài)培(péi)养(yǎng)液(yè)里(lǐ)划(huà)出(chū)几(jǐ)道(dào)极(jí)浅(qiǎn)的(de)波(bō)纹(wén)。在(zài)适(shì)宜(yi)的(de)复(fù)苏(sū)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)，一(yī)只(zhǐ)身(shēn)披(pī)纳(nà)米(mǐ)图(tú)案(àn)的(de)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)缓(huǎn)缓(huǎn)舒(shū)展(zhǎn)身(shēn)体(tǐ)。但(dàn)是(shì)请(qǐng)注(zhù)意(yì)，水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)本(běn)身(shēn)的(de)体(tǐ)长(zhǎng)不(bù)到(dào)1毫(háo)米(mǐ)，非(fēi)常(cháng)非(fēi)常(cháng)小(xiǎo)。那(nà)些(xiē)比(bǐ)发(fā)丝(sī)还(hái)要(yào)细上千倍的“纹身”，普通显微镜下很难完全观察到。要想看清楚“纹身”在水熊虫复活后的情况，还需要把虫子“固定”好，动来动去也会影响观察效(xiào)果(guǒ)。杨(yáng)治(zhì)蓉(róng)需(xū)要(yào)把(bǎ)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)“麻(má)醉(zuì)”，让(ràng)它(tā)放(fàng)松(sōng)警(jǐng)惕(tì)，慢(màn)慢(màn)舒(shū)展(zhǎn)身(shēn)体(tǐ)，把(bǎ)藏(cáng)在(zài)皮(pí)肤(fū)纹(wén)理(lǐ)间(jiān)的(de)“纹(wén)身(shēn)”呈(chéng)现(xiàn)出(chū)来(lái)。接(jiē)着(zhe)进(jìn)行(xíng)化(huà)学(xué)固(gù)定(dìng)和(hé)干(gàn)燥(zào)，之(zhī)后(hòu)用(yòng)扫(sǎo)描(miáo)电(diàn)镜(jìng)进(jìn)行(xíng)观(guān)察(chá)。事(shì)实(shí)证(zhèng)明(míng)，这(zhè)种(zhǒng)为(wèi)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)量(liàng)身定制的“碳质纹身”即使经过拉伸、溶剂浸泡和干燥处理，依然牢固如初。实验室里安静得能听见仪器发出的微弱电流声。杨治蓉的手指悬在数据记录键上方，直到确认所有冰刻图案都完整无损，才长舒一口气。
五年前的预言，成真了。回到最初的场景，在组会上，赵鼎说：“如果用‘冰刻’技术在蚂蚁头上刻个‘王’字，它回到蚁穴后会怎么样？”嗅觉灵敏的媒体(tǐ)纷(fēn)至(zhì)沓(dá)来(lái)，续(xù)写(xiě)了(le)结(jié)尾(wěi)——这(zhè)项(xiàng)将(jiāng)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)制(zhì)造(zào)与(yǔ)生(shēng)物(wù)学(xué)结(jié)合(hé)的(de)突(tū)破(pò)性(xìng)技(jì)术(shù)，正(zhèng)在(zài)打(dǎ)开(kāi)生(shēng)物(wù)微(wēi)观(guān)世(shì)界(jiè)的(de)新(xīn)大(dà)门(mén)，或(huò)将(jiāng)开(kāi)启(qǐ)纳(nà)米(mǐ)级(jí)医(yī)疗(liáo)设(shè)备(bèi)甚(shén)至(zhì)活(huó)体(tǐ)微(wēi)型(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)新(xīn)时(shí)代(dài)。
未(wèi)来(lái)，我(wǒ)们(men)或(huò)许(xǔ)能(néng)看(kàn)到(dào)：“冰(bīng)刻(kè)”技术在蜜蜂的复眼表面雕出纳米级光栅，研究它们是如何看见紫外线；在珊瑚虫的触手刻上环境传感器，实时监测海洋酸化程度......这些科幻般的场景，将被一块会消失的冰，一点一点刻进现实。
水熊虫登上Nano Letters期刊补充封面
有人问杨治蓉：“你有没有给闯关成(chéng)功(gōng)的这只虫子起一个名字，它这么努力地醒过来了，多感人啊。”“有道理，我得好好想一想。”杨治蓉说。这个看似微小的生命，正在帮助人类突破纳米技术的边界，值得拥有一个名字。
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中国科学家在《自然·机器智能》上露了一“手”
