水熊蟲又稱緩步動(dòng)物，是這顆星球上最頑強(qiáng)的微觀生命。

它們身長(zhǎng)約0.5毫米，大部分不超過1毫米，通體透明，進(jìn)食后可呈黃色、棕色、深紅色或綠色。它們身體短小豐滿，有1個(gè)頭部，4對(duì)腿從軀部伸出，末端有爪子、吸盤或腳趾。

但別被這憨態(tài)可掬的外表所迷惑，它們是自然界當(dāng)之無愧的“極限生存大師”。

水熊蟲的兩種狀態(tài)，左為正常活動(dòng)狀態(tài)，右為“脫水”狀態(tài)。

水熊蟲的生存場(chǎng)所遍及地球各個(gè)角落：從深海熱泉到雪山之巔，從熱帶雨林到干旱沙漠。為了適應(yīng)極端環(huán)境，它們演化出了一套堪稱“作弊”的生存技能。當(dāng)環(huán)境惡化時(shí)，水熊蟲會(huì)主動(dòng)脫水，收縮成一顆“干癟小球”，進(jìn)入隱生狀態(tài)。此時(shí)它們的新陳代謝幾乎停止，卻能抵抗-272℃的極端冷凍、151℃的高溫炙烤，甚至承受比人類致死劑量高千倍的輻射。更驚人的是，它們?cè)谔諏?shí)驗(yàn)中被直接暴露于宇宙真空和太陽輻射下，十天后依然有部分個(gè)體復(fù)活。

（圖片來源：美國(guó)國(guó)立自然歷史博物館）

科學(xué)家推測(cè)，這種“不死之身”的奧秘可能源于其體內(nèi)特殊的保護(hù)蛋白。水熊蟲體內(nèi)的特異性蛋白質(zhì)能像海綿一樣包裹住細(xì)胞結(jié)構(gòu)，防止脫水損傷；同時(shí)Dsup蛋白還能保護(hù)水熊蟲的DNA，使其免受輻射損傷，增強(qiáng)對(duì)紫外線的抵抗力。正因如此，水熊蟲成為了研究抗逆性機(jī)制的“活體教科書”，甚至被戲稱為“外星生物預(yù)備役”。畢竟，如果連地球極端環(huán)境都無法殺死它們，誰又能斷言它們不能在外星球存活？

冰刻術(shù)

水熊蟲的“紋身”

微細(xì)加工技術(shù)是構(gòu)建微小物體的技術(shù)，包括微觀和納米級(jí)的物體與圖案，在電子學(xué)、光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

因生物組織十分脆弱且易受損傷，傳統(tǒng)微細(xì)加工技術(shù)（如電子束光刻）通常涉及有毒溶劑或強(qiáng)輻射，難以直接應(yīng)用于活體生物。為突破這一瓶頸，西湖大學(xué)的科學(xué)家們創(chuàng)新性地開發(fā)并應(yīng)用冰刻技術(shù)，成功在水熊蟲體表“紋”上了納米尺度的圖案。

冰刻技術(shù)示意圖

科學(xué)家們首先使水熊蟲在碳納米復(fù)合基底上脫水，進(jìn)入代謝幾乎停滯的隱生狀態(tài)。該基底材料兼具多孔結(jié)構(gòu)與高導(dǎo)電性，既為水熊蟲提供進(jìn)入隱生狀態(tài)的理想環(huán)境，又能緩解后續(xù)電子束加工過程中的電荷積累。

隨后，在處于隱生狀態(tài)的水熊蟲體表覆蓋一層特殊的納米冰膜。經(jīng)過電子束曝光，使特定區(qū)域的冰膜轉(zhuǎn)化為常溫下穩(wěn)定存在的固體圖案。最后將水熊蟲轉(zhuǎn)移至適宜環(huán)境中復(fù)蘇后，它便可以攜帶這些圖案“紋身”自由活動(dòng)。

冰刻技術(shù)下的水熊蟲

該研究首次證明微細(xì)加工技術(shù)可以在活體生物的體表制備微納米圖案。即使在拉伸、浸泡、沖洗和干燥等外部作用下，這些圖案仍然保持優(yōu)異的黏附性，展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性與實(shí)用潛力。研究成果為微生物傳感、仿生器件和活體微型機(jī)器人等領(lǐng)域提供了新的技術(shù)路徑。

附著金屬條紋圖案的水熊蟲

同時(shí)，在該團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們開創(chuàng)性地采用半導(dǎo)體薄膜沉積技術(shù)，成功為水熊蟲打造微米級(jí)“金屬紋身”。通過磁控濺射或電子束蒸發(fā)技術(shù)，研究人員在隱生狀態(tài)的水熊蟲體表精準(zhǔn)沉積金屬薄膜。

當(dāng)水熊蟲復(fù)蘇時(shí)，其體表運(yùn)動(dòng)使金屬薄膜自然撕裂，形成獨(dú)特條紋圖案。不同金屬修飾可賦予水熊蟲特異功能特性，例如經(jīng)磁性金屬修飾的水熊蟲具備磁場(chǎng)響應(yīng)能力，研究人員能通過外部磁場(chǎng)調(diào)控其旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)及平移運(yùn)動(dòng)。

從紋身到醫(yī)療革命

微觀協(xié)作的曙光

這兩項(xiàng)研究開創(chuàng)了針對(duì)活體生物（特別是緩步動(dòng)物）的微納加工新領(lǐng)域，不僅為極端環(huán)境生物的適應(yīng)性研究提供了全新工具，更展現(xiàn)了微納制造技術(shù)與生物科學(xué)深度交叉融合的巨大潛力。

電影《阿凡達(dá)（Avatar）》劇照

趙鼎研究員表示，目前研究只是非常初期的起步階段，現(xiàn)在僅僅做到了能“活”，距離真正能“用”還有非常大的距離。

在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步探索微型活體機(jī)器人的開發(fā)，重點(diǎn)研究緩步動(dòng)物、耐輻射微生物等抗逆生物的特性，并在微納加工過程中引入活體保護(hù)措施，有效降低微納制造環(huán)境對(duì)生物活性的不利影響，以提升該技術(shù)的可擴(kuò)展性。

未來，通過更先進(jìn)的微納加工方法，科學(xué)家們有望在生物體表面特定區(qū)域構(gòu)筑更加精細(xì)的圖案，從納米級(jí)的導(dǎo)電線路到仿生傳感器陣列，甚至可編程的藥物釋放模塊。

這些結(jié)構(gòu)不僅像“生命電路”般附著于生物體，還能通過光、電、熱等多物理場(chǎng)的協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞活動(dòng)、代謝路徑乃至運(yùn)動(dòng)行為的精準(zhǔn)干預(yù)。 就像《阿凡達(dá)》中納美人與潘多拉星球的神經(jīng)連接一樣，人類將學(xué)會(huì)用納米級(jí)的 “筆觸”，在生命的畫布上繪制出既能感知世界，又能自我修復(fù)的 “活體科技”。

參考資料：

https://www.westlake.edu.cn/news_events/westlakenews/labshow/202012/t20201203_7465.shtml

https://qiu.lab.westlake.edu.cn/info/1022/1766.htm

https://www.discovermagazine.com/the-sciences/tardigrade-tattoos-could-pave-the-way-for-microscopic-medical-devices

https://gizmodo.com/researchers-tattooed-tardigrades-they-promise-it-will-be-useful-2000593853

https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/scientists-tattoo-micro-patterns-on-tardigrades-398818

https://frontlinegenomics.com/everything-you-need-and-want-to-know-about-tardigrades/

https://resilience.si.edu/story/tardigrade-zoo-biology-breakthroughs

https://en.wikipedia.org/wiki/Tardigrade#From_science_to_popular_culture

編譯：楊雨鑫

策劃：劉穎 張超 李培元 楊柳

審核專家：趙鼎 西湖大學(xué)光電研究院研究員