原創(chuàng) | 文BFT機(jī)器人

定義微納技術(shù)

微納技術(shù)中的“微納”是個(gè)尺度概念，包括“微”和“納”兩個(gè)層面，即微米技術(shù)和納米技 術(shù)。關(guān)于微米技術(shù)這一技術(shù)分支比較典型的體現(xiàn)，是在微米尺度（0.1μm到100μm之間， 以光學(xué)顯微鏡為觀察手段，又稱顯微尺度）形成結(jié)構(gòu)，從而制成微器件、微系統(tǒng)、微電路、 微處理器、微流控芯片、微型光源、微機(jī)械等，而其科學(xué)分支主要涉及電子科學(xué)、光學(xué)等領(lǐng) 域，延伸到生命科學(xué)領(lǐng)域，細(xì)胞的大小在幾微米到幾百微米之間，同樣也屬于微米尺度。

納米技術(shù)是指在納米尺度（0.1nm到l00nm之間，又稱介觀尺度）上研究物質(zhì)的特性和相互 作用，比如原子和分子，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)，是20世紀(jì)90年代 末新出現(xiàn)的概念。當(dāng)物質(zhì)小到1-100nm時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出體積效應(yīng)﹑表面效應(yīng)﹑量子尺寸效應(yīng) ﹑量子隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)等等，既不同于宏觀物體，也不同于微觀單個(gè)原子的奇異現(xiàn)象，導(dǎo)致了納米材料在熔點(diǎn)、蒸氣壓、光學(xué)性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)性、磁性、超導(dǎo)及塑性形變等許 多物理和化學(xué)方面都顯示出特殊的性能。納米技術(shù)的最終目標(biāo)是直接以原子、分子及物質(zhì)在 納米尺度上表現(xiàn)出來的新穎的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制造出具有特定功能的產(chǎn)品。此外， 納米結(jié)構(gòu)還為低成本加工提供了新的令人興奮的機(jī)會(huì)。?

微納的概念從最初特指微納米器件，慢慢與電子、機(jī)械、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等 多學(xué)科融合，出現(xiàn)微納材料與結(jié)構(gòu)、微納電子器件與加工測量技術(shù)、微納機(jī)電系統(tǒng)、納米催 化等各領(lǐng)域。從靠自組裝等物理、化學(xué)合成方式做納米結(jié)構(gòu)，到隨著微納制造工具的進(jìn)步， 通過電子束曝光、紫外光刻等微加工的方式直接按照圖形化的目標(biāo)，在微觀尺度或介觀尺度 上構(gòu)建以前在不存在的結(jié)構(gòu)。?

微納技術(shù)的研究主要包括:?

??納米技術(shù)：包括納米電子、納米物理、納米材料與器件、納米能源、納米催化、納米化學(xué)、納米 生物等;?

??微納加工技術(shù)：包括電子束光刻、紫外光刻、原子層沉積、納米壓印、激光直寫、掃描探針直寫、 圖形轉(zhuǎn)移、封裝工藝開發(fā)、微納3D打印技術(shù)等；

??微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）：包括光刻、刻蝕、鍍膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工 等技術(shù)；?

??微流控技術(shù)：使用微管道（尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米）處理或操縱微小流體（體積為納升到阿升） 的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)，微流控裝置通常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室 （Lab on a Chip）和微全分析系統(tǒng)（micro-Total Analytical System）。?

而微納機(jī)器人是建立在微納技術(shù)基礎(chǔ)上、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)前沿方向。

01

歷經(jīng)四十年，

開拓微納米尺度醫(yī)療操作新時(shí)代

微納機(jī)器人類型：微型機(jī)器人和納米機(jī)器人

微納機(jī)器人（Micro/Nanorobot）泛指在微納米尺度的小型機(jī)器人，分為微型機(jī)器人 （Microbot/Microrobot）和納米機(jī)器人（Nanorobot）。關(guān)于微/納機(jī)器人的具體尺 度目前學(xué)術(shù)界沒有嚴(yán)格的定義，有說法是0.1-100微米/納米，也有說法是1-1000微米/ 納米。通常機(jī)器人至少有一個(gè)維度達(dá)到了微/納米尺度，就可以稱為微型/納米機(jī)器人。

從廣義上來講，只要在微納米尺度能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和操作的系統(tǒng)都可以叫做微納機(jī)器人， 因此又稱為微納機(jī)器（Micro/Nanomachine）、微納馬達(dá)（Micro/Nanomotor)等。

微納機(jī)器人是一個(gè)綜合性非常強(qiáng)的多學(xué)科前沿交叉領(lǐng)域，在納米材料方向與柔性電子、 可重構(gòu)表面、主動(dòng)超材料等領(lǐng)域聯(lián)系緊密，制造微納級別的機(jī)身、傳感器、驅(qū)動(dòng)器涉及 微納加工等工程學(xué)技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制和智能化與機(jī)器人學(xué)、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)，機(jī) 器人的驅(qū)動(dòng)涉及能量轉(zhuǎn)換、流體物理，對機(jī)器人體內(nèi)定位反饋需要醫(yī)學(xué)影像學(xué)，機(jī)器人 的設(shè)計(jì)從仿生學(xué)中汲取靈感，功能化實(shí)現(xiàn)、細(xì)胞表面修飾與化學(xué)、分子生物學(xué)相關(guān)，突 破體內(nèi)生物屏障、細(xì)胞的培養(yǎng)和自組裝、DNA分子的設(shè)計(jì)需要具備解剖學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、 生物化學(xué)、合成生物學(xué)等背景，而最終的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，又需要與臨床醫(yī)生緊密合作。

根據(jù)構(gòu)成材料的不同，微納機(jī)器人可以分為人工型、生物型、和生物混合型三種。生物 型機(jī)器人是由天然生物材料制成的，具有出色的生物相容性。人工微納機(jī)器人可以自驅(qū) 動(dòng)，也可以由外部場驅(qū)動(dòng)，具體取決于提供的能量的方式。

微納技術(shù)的成熟與微納操作的場景需求，共同推動(dòng)微納機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)

隨著機(jī)器人科技的飛速發(fā)展,機(jī)器人廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的生產(chǎn)和生活中。機(jī)器人有多種類型, 整體尺寸從微觀到宏觀不等。通常, 工業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)行業(yè)和軍事領(lǐng)域中都能看到宏觀機(jī) 器人的身影。然而, 在某些特定情況, 如體內(nèi)介入診斷和治療, 宏觀機(jī)器人往往由于尺寸 過大而受到限制，因而出現(xiàn)了體積更小的機(jī)器人的需求。

功能性納米材料、納米催化、微納加工技術(shù)等納米科技的飛速發(fā)展，為機(jī)器人技術(shù)和微 納生物學(xué)/納米醫(yī)學(xué)之間的結(jié)合,找到了一條可行路徑，微納機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。人們希望 通過給微納機(jī)器人提供指令和動(dòng)力，在遠(yuǎn)程進(jìn)行控制，在微納尺度上執(zhí)行任務(wù)，并且具 有優(yōu)異的靈活性和適應(yīng)性。

微納機(jī)器人的概念最早由美國物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼教授于1959年提出。他認(rèn)為人類未來有可能建造一種分子大小的微型機(jī)器，可以把分子甚至單個(gè)原子作 為構(gòu)件，在非常微小的空間里構(gòu)建物質(zhì)。而在1966年的科幻電影《神奇旅程》中，首次 出現(xiàn)了醫(yī)療微納機(jī)器人的概念。影片暢想了一次冒險(xiǎn)之旅，一艘潛艇及其船員被縮小成 細(xì)胞大小的微型潛艇，使他們能夠在患者體內(nèi)航行，清除血栓。

四十年來, 微納機(jī)器人已發(fā)展為一個(gè)新的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，是微納生物學(xué)中最具有吸 引力的部分。由于體積小巧，醫(yī)療微納機(jī)器人可以進(jìn)入人體內(nèi)部復(fù)雜而狹窄的區(qū)域，例 如腦血管的遠(yuǎn)端和膽管，而現(xiàn)有的微創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備和傳統(tǒng)機(jī)器人有時(shí)無法進(jìn)入，微創(chuàng)手術(shù) 無法實(shí)施，具有生物探測、智能載藥、血栓清除、微創(chuàng)手術(shù)、殺死腫瘤細(xì)胞等各種應(yīng)用 前景，小小的微納機(jī)器人可以讓想象力自由馳騁。到目前為止，已經(jīng)有幾十種具有不同 設(shè)計(jì)、功能類型、驅(qū)動(dòng)模式以及用于定位和反饋的成像策略的微納機(jī)器人具有生物醫(yī)學(xué) 應(yīng)用的潛力。

此外, 微納機(jī)器人在納米加工、高端制造、重金屬檢測、污染物降解以及軍事領(lǐng)域之中 的應(yīng)用也不容小覷。許多國家紛紛制定微納機(jī)器人相關(guān)戰(zhàn)略和計(jì)劃，投入巨資搶占微納 機(jī)器人戰(zhàn)略高地。

微納機(jī)器人的研究歷程與納米科學(xué)的發(fā)展緊密相關(guān)

盡管關(guān)于微納機(jī)器人的設(shè)想在1959年就已經(jīng)出現(xiàn)，但直到上世紀(jì)90年代納米技術(shù)的興起， 才帶動(dòng)了其研發(fā)與應(yīng)用的起步。

分別以“Micro/Nano + Robot/Motor/machine”為關(guān)鍵詞在Pubmed數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索：

如圖所示，關(guān)于微納機(jī)器人技術(shù)的研究從1966年左右起步，中間零星有一些研究成果， 2003年開始加速發(fā)展，尤其在2010年之后，研究成果密集涌現(xiàn)，每年有數(shù)百篇論文發(fā)表， 領(lǐng)域呈現(xiàn)出爆發(fā)的趨勢。與同樣建立在納米技術(shù)基礎(chǔ)上的有關(guān)納米材料的研究發(fā)展趨勢非常 類似。

以“Nano Material”為關(guān)鍵詞在Pubmed數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索：

目前微納機(jī)器人的研究處于從“生物化”和“分子化” 走向“智能化”的階段

回溯過去四十年，微納機(jī)器人的發(fā)展大致可以分成五個(gè)階段：

全球（醫(yī)療）微納機(jī)器人領(lǐng)域代表性科研成果

基礎(chǔ)研究?

? 1982年，IBM蘇黎世的實(shí)驗(yàn)室G.Binnig和H.Rohrerr領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功研制掃描隧 道顯微鏡——研究納米技術(shù)的重要工具，極大的促進(jìn)了表面科學(xué)以及納米科學(xué)的發(fā)展， 二人憑此獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

? 1989年，IBM的科學(xué)家利用掃描式隧道顯微鏡（STM）操作35個(gè)氙原子在鎳金屬表面 拼出I－B－M三個(gè)字母，開創(chuàng)納米微操作先河。

? 1990年末，未來學(xué)家、納米技術(shù)先驅(qū)Robert Freitas在論文中提出了可以幫助運(yùn)輸氧 氣的納米機(jī)器人的設(shè)想，并詳細(xì)介紹了其類金剛石外殼等設(shè)計(jì)要求，成為很多醫(yī)用納 米機(jī)器人的討論的參考標(biāo)準(zhǔn)。

? 2006年，日本東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功地將兩個(gè)分子機(jī)器組裝在一起，形成了一個(gè) 類似“鉗子”分子機(jī)器復(fù)合體，紫外線和可見光能夠?yàn)檫@個(gè)分子機(jī)器提供動(dòng)力。? 2010年5月，美國哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功研制出一種由DNA分子構(gòu)成的“納米 蜘蛛”機(jī)器人，它們能夠在二維物體表面自由地跟隨DNA的運(yùn)行軌跡自由地行走、移 動(dòng)、轉(zhuǎn)向以及停止。

? 2022年4月，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，在飛秒激光微納加工領(lǐng)域及生物學(xué)應(yīng)用 取得新進(jìn)展，構(gòu)建了雙波長飛秒激光加工系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大范圍、三維高精度微納加工。針對細(xì)胞行為學(xué)和細(xì)胞團(tuán)簇捕獲的研究需求，提出了單脈沖飛秒激光雙光子聚合方法， 結(jié)合毛細(xì)力自組裝原理，制備了三維微圖案化微結(jié)構(gòu)陣列，實(shí)現(xiàn)了MCF-7細(xì)胞的選擇 性生長調(diào)控。

? 2022年5月，康奈爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種人造纖毛超表面，可在微米尺度獨(dú)立地控制 上千個(gè)纖毛，并實(shí)現(xiàn)對流體的精準(zhǔn)操控。這是國際上首次集成了納米驅(qū)動(dòng)器和集成電 路的器件，并且實(shí)現(xiàn)了無線供能和操控，只需在陽光下就能持續(xù)工作。人造纖毛有望 應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人的游動(dòng)。

納米機(jī)器人

? 2012年2月，哈佛醫(yī)學(xué)院Wyss生物啟發(fā)工程研究所George Church研究團(tuán)隊(duì)，利用 DNA折紙術(shù)，制造一種并由適體編碼的、邏輯門控制的自主DNA納米機(jī)器人，將 DNA股折疊在一起成為復(fù)雜的形狀。他們接著給其裝載諸如金的納米顆粒及熒光標(biāo)記 的抗體片段，并觀看他們的納米機(jī)器人將其載物傳送給某組織培養(yǎng)中的細(xì)胞。

? 2013年6月，日本東北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)選取源自艾滋病毒的8個(gè)縮氨酸微片制作成微 粒子，并植入動(dòng)力蛋白質(zhì)，使其可以在細(xì)胞表面移動(dòng)。利用粒子中縮氨酸的刺激作用 和細(xì)胞吞噬物質(zhì)的特性，使粒子成功進(jìn)入細(xì)胞。

? 2017年7月，以色列理工學(xué)院羅素·貝里納米科技研究所、德國馬克斯·普朗克智能系 統(tǒng)研究所和德國斯圖加特大學(xué)物理化學(xué)研究所得研究人員制備出一種在凝膠中（透明 質(zhì)酸凝膠液）可以移動(dòng)的微小螺旋形狀的螺旋槳納米機(jī)器人，由硅和鎳制成的細(xì)絲組 成，直徑70納米、長400納米，在體外通過磁場驅(qū)動(dòng)。

? 2017年11月，日本東京大學(xué)和東京醫(yī)科齒科大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)“COINS”，成功 開發(fā)出一種納米機(jī)器人（直徑僅30納米），表面由葡萄糖覆蓋，在大腦血管的特定蛋 白質(zhì)與葡萄糖結(jié)合后，所攜帶藥物便能連帶通過血腦障壁運(yùn)送至大腦。

? 2017年11月，香港中文大學(xué)張立教授和曼徹斯特大學(xué)Kostas Kostarelos教授研究團(tuán) 隊(duì)推出第一款可生物降解的納米機(jī)器人，其由螺旋藻、鐵磁涂層制成。

? 2018年1月，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家研制出一種由電場驅(qū)動(dòng)的用于醫(yī)學(xué)診斷和 藥物開發(fā)的高效納米機(jī)器人。

? 2018年2月，國家納米科學(xué)與技術(shù)中心趙宇亮、丁寶全、聶廣軍領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合 美國亞利桑那州立大學(xué)顏灝課題組研發(fā)了一種基于DNA折紙技術(shù)制成的納米機(jī)器人， 可以用攜帶凝血酶精準(zhǔn)定位到腫瘤細(xì)胞，阻斷血液供應(yīng)來影響腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移，進(jìn) 而有效殺死腫瘤細(xì)胞，并且在多種小鼠腫瘤模型中取得了較好結(jié)果的同時(shí)也沒有引起 明顯的免疫反應(yīng)；該技術(shù)可用于多種類型癌癥。

??2018年4月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)吳志光副教授與德國馬克斯·普朗克研究所P.Fischer教 授團(tuán)隊(duì)、丹麥奧胡斯大學(xué)合作，首次提出了一種表面涂覆納米液態(tài)潤滑層的螺旋形磁 性納米機(jī)器人（直徑僅為500納米），首次實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人在眼睛玻璃體中可控、高 效地集群運(yùn)動(dòng)，以其在外源磁場的引導(dǎo)下有效地克服生物分子的黏附，完成長距離可 控集群運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位點(diǎn)，繞過眼，面抵達(dá)視網(wǎng)膜且不對組織造成損害，實(shí)現(xiàn)眼底 精準(zhǔn)給藥。

? 2018年4月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張廣玉、李隆球教授和美國加州大學(xué)圣地亞哥分校 Joseph Wang教授合作，采用仿生原理，首次發(fā)明了一種由振蕩磁場驅(qū)動(dòng)的鎳-銀-金 -銀-鎳多金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)納米機(jī)器人，由多節(jié)柔性鉸鏈組成，雙臂交替運(yùn)動(dòng)形式使其運(yùn) 動(dòng)速度可達(dá)到每秒60個(gè)身長，約為其他同類柔性納米機(jī)器人的10倍，可廣泛應(yīng)用于 藥物靶向輸運(yùn)和腫瘤精準(zhǔn)治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

? 2019年，納米醫(yī)療技術(shù)專家、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院助理教授Simone Schuerle團(tuán)隊(duì) 及麻省理工學(xué)院，成功發(fā)明一種由3D打印而成、表面涂有鎳鈦雙涂層、可受外部磁 場操控的螺旋狀微型機(jī)器人（長度約為36微米、體積只有細(xì)胞大?。?，其可向腫瘤等 病變組織輸送納米顆粒藥物，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的靶向給藥；研究結(jié)果顯示效果是普通輸送 方法的兩倍。

? 2019年5月南京師范大學(xué)毛春教授團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種血小板膜修飾、可自主運(yùn)動(dòng)的多 級孔納米機(jī)器人，用于連續(xù)靶向給藥以實(shí)現(xiàn)短期溶栓和長期抗凝的目的：在體外測試 條件下，納米機(jī)器人在血栓中的穿透深度是無運(yùn)動(dòng)能力粒子的3倍左右；該納米機(jī)器 人在血栓中的滯留率從15%提高到26%左右。

??2020年3月，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院/轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院周民研究員團(tuán)隊(duì)研制出 一款微納機(jī)器人，以微藻作為活體支架，“穿上”磁性涂層外衣，靶向輸送至腫瘤組 織，利用光合生物雜交微納泳體系統(tǒng)的光合作用，成功改善腫瘤乏氧微環(huán)境并有效實(shí) 現(xiàn)磁共振/熒光/光聲三模態(tài)醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)航下的腫瘤診斷與治療。

? 2020年7月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)賀強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)研制成功一種超聲驅(qū)動(dòng)的液態(tài)金屬針狀游 動(dòng)納米機(jī)器人，以液態(tài)金屬鎵為材料，通過結(jié)合納米孔模板塑性成形和細(xì)胞膜包覆技 術(shù)實(shí)現(xiàn)了白細(xì)胞膜表面?zhèn)窝b液態(tài)金屬鎵針狀游動(dòng)納米機(jī)器人的批量制造，其不但具有 變形、融合能力，還能克服血液污損并完成主動(dòng)藥物遞送和癌細(xì)胞光熱治療。

? 2020年8月，香港科技大學(xué)唐本忠院士和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院蔡林濤、張鵬飛、龔萍 團(tuán)隊(duì)采用自然殺傷（NK）細(xì)胞膜包裹具有近紅外二區(qū)熒光性質(zhì)的聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE） 有機(jī)半導(dǎo)體骨骼材料，制造出NK細(xì)胞仿生AIE納米機(jī)器人，并且將其應(yīng)用于腦膠質(zhì)瘤 診斷與治療，可高對比度地診斷腦膠質(zhì)瘤，通過光熱治療有效抑制腦膠質(zhì)瘤的生長， 高效穿透血腦屏障進(jìn)行給藥。

微型機(jī)器人

? 2016年7月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Selman Sakar與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的HenWei Huang和Bradley Nelson團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種可重構(gòu)細(xì)菌微型機(jī)器人，可以高 產(chǎn)量制造。由生物相容性水凝膠和磁性納米粒子制成。以電磁場遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的移 動(dòng)，并利用熱量使它們變形。

? 2016年7月，韓國全南大學(xué)的樸錫浩團(tuán)隊(duì)，利用巨噬細(xì)胞可吞噬異物質(zhì)的特性，使其 吃掉加入抗癌劑的納米粒子，以及氧化鐵粉末，用磁場操控巨噬細(xì)胞的行動(dòng)，可以進(jìn) 入到實(shí)體瘤沒有血管的位置，研發(fā)出可對大腸癌、乳腺癌、胃癌和肝癌等高發(fā)性癌癥 治療的微型機(jī)器人。

? 2016年8月，加拿大麥吉爾大學(xué)，蒙特利爾大學(xué)和蒙特利爾工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，合作 研制出一款微型機(jī)器人，利用鞭毛，攜帶氧氣濃度測量感應(yīng)器以及藥物，能夠在人體 血管內(nèi)運(yùn)行并可以將抗癌藥物精準(zhǔn)地遞送到腫瘤細(xì)胞中。

? 2018年1月，11名來自不同國家的學(xué)者合作利用納米級3D打印來制作螺旋形機(jī)器人， 并在其中添加了光滑的涂層和磁性材料，進(jìn)而使用磁場將微型機(jī)器人推進(jìn)眼睛；研究 結(jié)果顯示，其在不到30分鐘內(nèi)成功到達(dá)視網(wǎng)膜，比相似大小的顆粒通過眼睛的速度快 10倍。

? 2019年7月，加州理工學(xué)院Wei Gao團(tuán)隊(duì)（吳志光為第一作者）提出了一種光聲計(jì)算 機(jī)斷層掃描技術(shù)（PACT）引導(dǎo)下的體內(nèi)腸道中的微型電機(jī)。包裹在微膠囊中的微電 機(jī)在胃中是穩(wěn)定的，近紅外光照射誘導(dǎo)膠囊解體，釋放裝載貨物的微型電機(jī)，可以在 各種生物流體中表現(xiàn)出有效的推進(jìn)力，有效延長了在腸內(nèi)的滯留時(shí)間，有望用于藥物 輸送等實(shí)際的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

??2019年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實(shí)驗(yàn)室，利用調(diào)制的渦旋 光束進(jìn)行單次快速曝光或三維空間掃描，加工出泳動(dòng)性能與裝載貨物能力更強(qiáng)的空心 管形和錐形螺旋結(jié)構(gòu)微納機(jī)器人，并利用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行神經(jīng)干細(xì)胞的體外移植、靶向藥 物運(yùn)輸治療腫瘤細(xì)胞。

? 2021年1月，北京理工大學(xué)智能機(jī)器人研究所黃強(qiáng)與王化平微納生物操作團(tuán)隊(duì)，采用 單一可降解生物材料實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人在環(huán)境感知下的自形變，從而解決了微機(jī)器人在人 體等活體封閉環(huán)境下進(jìn)行無創(chuàng)采樣、運(yùn)輸、投遞與回收等一體化作業(yè)的難題。? 2021年1月，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院蔡林濤團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了一種由順序性磁驅(qū) 動(dòng)和光觸發(fā)的AI微納機(jī)器人，并將其用于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)靶向的癌癥治療。AI微納生物機(jī)器 人通過內(nèi)乏氧驅(qū)動(dòng)和外磁場驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自主靶向游動(dòng)、以及磁/光序貫操控，在小鼠體 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了磁控導(dǎo)航、腫瘤穿透和光熱消融。

? 2021年9月，北京航天航空大學(xué)馮林團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種基于活巨噬細(xì)胞作為藥物遞送 載體的三維磁控細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由磁操作平臺(tái)和磁化微/納米機(jī)器人兩部 分組成。當(dāng)磁控細(xì)胞機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi)時(shí)，可以通過體外操作平臺(tái)，將磁控細(xì)胞機(jī)器人 精準(zhǔn)遞送至腫瘤部位，實(shí)現(xiàn)靶向給藥。

? 2022年2月11日，德國馬克斯·普朗克研究所研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于氮化碳的光驅(qū) 動(dòng)微型游泳器，可用于體內(nèi)藥物遞送，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、可控地“按需”給藥。

? 2022年8月，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Bradley Nelson教授團(tuán)隊(duì)，基于馬達(dá)蛋白的工作機(jī) 制設(shè)計(jì)出了一種磁性人工微管。在人工微管的引導(dǎo)下，磁性微納米機(jī)器人可以在體內(nèi) 復(fù)雜的環(huán)境中克服血流阻力，像細(xì)胞內(nèi)微管上的分子馬達(dá)蛋白一樣穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí) 現(xiàn)精準(zhǔn)給藥。

? 2022年9月，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的Joseph Wang研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出抗肺炎的 納米粒子修飾微型機(jī)器人，它可在肺部四處游動(dòng)，提供藥物并用于清除危及生命的細(xì) 菌性肺炎感染。在小鼠試驗(yàn)中，微型機(jī)器人安全地消除了引起肺炎的細(xì)菌，小鼠存活 率達(dá)100%，相比之下，未經(jīng)治療的小鼠在感染后3天內(nèi)全部死亡。

微納機(jī)器人研究實(shí)力：歐美領(lǐng)銜、中國達(dá)一流水平

在微納機(jī)器人研究比較領(lǐng)先的國家包括美國、德國、以色列、瑞士、日本以及中國。從 發(fā)表文章的數(shù)量、質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展來看，中國與國際領(lǐng)先水平是同步的，達(dá)到世界一流 水平。中國學(xué)者在ACS Nano、Advanced Materials、Science Robotics、Nature Nanotechnology等微納機(jī)器人領(lǐng)域頂級期刊發(fā)表文章的數(shù)量上，跟歐美發(fā)達(dá)國家處于 同一水平。

中國微納機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠憾喑霈F(xiàn)在科研領(lǐng)域，未到產(chǎn)業(yè)爆發(fā)期

以微納機(jī)器人為檢索詞在智慧芽檢索，結(jié)果顯示，目前專利權(quán)人/專利申請人主要是大 學(xué)和研究院，僅有2家公司。可見目前關(guān)于微納機(jī)器人的研究還處于比較早期的階段， 離真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一段距離。列出已有/已申請≥3項(xiàng)專利的專利權(quán)人/專利申請人 如下：

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微納機(jī)器人六大技術(shù)環(huán)節(jié)

如何在微小尺度同時(shí)實(shí)現(xiàn)微納機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、控制和功能化，是技術(shù)實(shí)現(xiàn)方向的重要挑戰(zhàn)

微納機(jī)器人在原理上可以看作一個(gè)具有輸入和輸出端的裝置。其輸入端是人體和一些外 在的信號(hào)，經(jīng)過微納機(jī)器人處理之后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。不同于宏觀機(jī)器人，微納米 機(jī)器人無法外接電線或攜帶電池為其供能，也不能裝載電機(jī)來產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。此外，在微觀 環(huán)境中，如何觀察及無線遙控微納米機(jī)器人按指令運(yùn)動(dòng)及作業(yè)，也是需攻克的難題。微 納機(jī)器人由于尺寸太小，這三點(diǎn)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，雖然目前都有一定的手段，但是如何將驅(qū)動(dòng)、 控制和功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，是微納機(jī)器人研發(fā)過程中內(nèi)面臨的重要挑戰(zhàn)。

區(qū)別于微型機(jī)器人，納米機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)體內(nèi)自主可控運(yùn)動(dòng)，主要用于靶向藥物遞送

雖然微米和納米都是小尺度，但是微型機(jī)器人和納米機(jī)器人卻有很大的不同。微型機(jī)器 人與我們印象中的機(jī)器人的概念更為接近，有希望實(shí)現(xiàn)體內(nèi)自主可控運(yùn)動(dòng)，這也是目前 關(guān)于微型機(jī)器人研究的重點(diǎn)。?

但在納米尺度，只有多個(gè)原子或者某些單個(gè)大分子的大小，比如蛋白質(zhì)分子的尺寸大約 是1-100納米，而DNA分子雙鏈的寬度大約是2納米，換句話說納米尺度已經(jīng)接近構(gòu)建 物體的基本單位的尺度了。正如對于一輛車，我們可以研究它的動(dòng)力系統(tǒng)、運(yùn)載系統(tǒng)， 甚至自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，但我們不能可能指望車上的一個(gè)螺絲釘具有太多的功能，一個(gè)納米 機(jī)器，也不可能具有太多的功能。另外在納米尺度，分子布朗運(yùn)動(dòng)將成為控制自主運(yùn)動(dòng) 的主要干擾因素。?

目前關(guān)于納米機(jī)器人的醫(yī)療應(yīng)用主要是不需要進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)控制的靶向藥物遞送方向。因此雖然關(guān)于控制納米機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)方面，有一些很有趣的探索，如DNA納米機(jī)器 人，可以在二維物體表面按照指定路線行走、搬運(yùn)物體、畫出圖案，但是在體內(nèi)的三維 復(fù)雜環(huán)境，要克服血液的阻力，實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人的獨(dú)立自主運(yùn)動(dòng)控制，理論上也是非常 困難的事情。?

這種DNA納米機(jī)器人，通常由DNA適體構(gòu)成，帶有特定的折疊結(jié)構(gòu)，稱為DNA適體鎖。這種鎖定的DNA結(jié)構(gòu)可以通過DNA適體的特異性識(shí)別而被細(xì)胞中的某些蛋白質(zhì)機(jī)制打開，從而使得內(nèi)部有效載荷的釋放。DNA納米機(jī)器人的靶向能力主要取決于適體的蛋白質(zhì)識(shí)別能力，與藥物遞送的原理類似。區(qū)別于能量驅(qū)動(dòng)的可以自主運(yùn)動(dòng)控制的微型機(jī)器人，DNA 納米機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能目前主要限于構(gòu)象運(yùn)動(dòng)，如打開DNA “鎖 ” 或者 DNA“籠”，將藥物釋放。靶向能力則取決于驅(qū)動(dòng)策略或者驅(qū)動(dòng)與位點(diǎn)識(shí)別的綜合作用。

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：微納機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從剛體向軟體、從不可降解向生物可降解方向發(fā)展

在設(shè)計(jì)微納機(jī)器人時(shí)，需要根據(jù)預(yù)期功能，對結(jié)構(gòu)和組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，而這些設(shè)計(jì)將決定 微納機(jī)器人所采用的材料。目前微納機(jī)器人的研究主要集中于人體之外，進(jìn)行前期基礎(chǔ) 理論的研究，所以各種材料都有采用，沒有形成最終形態(tài)，但總體趨勢是逐漸向生物可 降解、完全生物相容性的材料方向發(fā)展。在結(jié)構(gòu)方面，微納機(jī)器人可分為：?

剛體微納機(jī)器人——在過去幾十年中得到了廣泛的研究。?

? 微/納米球 ? 剛性/柔性納米線 ? 微/納米管 ? 螺旋微納機(jī)器人 ? 微型子彈剛性微納機(jī)器人?

? 軟體微納機(jī)器人——有更好的生物相容性，近幾年的關(guān)注熱點(diǎn)，在適應(yīng)無法預(yù)測的環(huán) 境時(shí)具有優(yōu)勢，可用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。?

? 主動(dòng)軟體材料?

? 使用聚合物和有機(jī)成分制成的軟體機(jī)器人。軟體材料的形變性質(zhì)通?？膳c真實(shí)的 生物細(xì)胞、組織和器官相媲美，從而使制成的微納機(jī)器人更類似于生物材料，因 此使其更適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。主動(dòng)軟體材料制成的軟體機(jī)器人可以在導(dǎo)航時(shí)遇到 狹窄的空間情況下主動(dòng)改變形狀。?

? 智能材料?

? 智能材料不僅是將軟體材料整合到設(shè)計(jì)中，而且通過自身結(jié)構(gòu)（例如彈簧質(zhì)量系 統(tǒng)）或預(yù)設(shè)的鉸鏈（例如具有多個(gè)軟接頭的分段式微/納米結(jié)構(gòu)）在受到外部刺激 （如熱，光，超聲，磁場，電場和機(jī)械力）時(shí)具有適應(yīng)性和可變性。例如一種帶 有兩個(gè)軟鏈接臂的磁性納米機(jī)器人，在液體中可以執(zhí)行“自由泳”游泳。這兩種 軟體機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的自由度比剛性機(jī)器人高得多。

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：組件設(shè)計(jì)取決于微納機(jī)器人的推進(jìn)方式

基于微納機(jī)器人不同的推進(jìn)方式，微納機(jī)器人具有如下三種組件設(shè)計(jì)形式：?

? 磁性材料?

在磁驅(qū)動(dòng)的情況下，應(yīng)使用磁性材料，如Fe3O4，Ni，γ-Fe2O3，和FePt等等。?

? 催化材料?

對于含有燃料的氣泡推進(jìn)式機(jī)器人，會(huì)包含催化材料，如Au、Pt、Ag、MnO2，以及可 以獲得不對稱的氣泡推進(jìn)力的酶。?

? Janus材料?

在沒有氣泡釋放的自驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人中，通常使用具有不對稱結(jié)構(gòu)的Janus材料。Janus是希臘語“雙面神”，指具有不對稱結(jié)構(gòu)的納米材料，又稱陰陽球結(jié)構(gòu)。?

生物相容性和生物降解性?

在設(shè)計(jì)方面，還應(yīng)注意微納機(jī)器人的生物相容性和生物降解性。通常，在設(shè)計(jì)過程中首 選可生物降解的材料，因?yàn)楫?dāng)將其控制在適量的范圍內(nèi)，它們在使用后會(huì)在生物環(huán)境中 降解為無細(xì)胞毒性的物質(zhì)，無需任何后處理過程。實(shí)際上在相對溫和的生物環(huán)境中，只 有一小部分材料具有生物可降解性。?

目前開發(fā)出的幾種可生物降解的微納機(jī)器人，包括Mg、Zn和CaCO3等無機(jī)材料，以及 聚多巴胺、多糖、脂質(zhì)體和明膠-甲基丙烯?；z等有機(jī)材料。在大多數(shù)情況下，由 于驅(qū)動(dòng)、控制和功能的各種要求，所選的材料無法保證可生物降解。但無論如何，在設(shè) 計(jì)過程中，微納機(jī)器人的組成部分應(yīng)滿足生物相容性的最低要求。

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：微納機(jī)器人的仿生設(shè)計(jì)策略

微納機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感來源于對宏觀物體結(jié)構(gòu)和功能的模仿，即仿生學(xué)思想。將宏觀物 體的尺寸縮小至微納尺度, 便產(chǎn)生了微納尺度的具有類似形態(tài)或相應(yīng)功能的機(jī)器人，例 如分子齒輪和納米車等。而模仿可自主游動(dòng)的細(xì)菌和精子則研制了螺旋狀的微型游動(dòng)機(jī) 器人, 這些機(jī)器人由軟體材料組成, 可實(shí)現(xiàn)外形的重構(gòu), 在低雷諾數(shù)的介質(zhì)中表現(xiàn)出理想 的推進(jìn)性能。此外, 存在于自然界的昆蟲, 如尺蠖、甲蟲、魚類、水母等都為微納機(jī)器人 的設(shè)計(jì)提供了靈感。?

仿生的方式往往難以完全復(fù)現(xiàn)出原本生物體的結(jié)構(gòu)和功能特性, 而通過將生物體功能元 件和非生物元件進(jìn)行結(jié)合而產(chǎn)生的生物混合型微納機(jī)器人則很好地解決了這一問題。生 物混合型微納機(jī)器人通常由兩部分組成: 作為驅(qū)動(dòng)器的活體生物和用于支撐的支架, 其中 生物組分通常包括肌肉細(xì)胞、帶鞭毛的細(xì)胞或細(xì)菌和旋轉(zhuǎn)蛋白，該類機(jī)器人具有高能量 轉(zhuǎn)換效率和以及生物相容性等特征。

制造環(huán)節(jié)：從早期的電/氣相沉積技術(shù)，發(fā)展出自卷曲/自組裝、3D打印以及合成生物學(xué)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精確控制，是微納機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成熟的重要標(biāo)志

許多生物工程，如靶向遞送技術(shù)、基因編輯技術(shù)，都可以拆解為識(shí)別模塊和功能模塊。具體來說，對靶向遞送來說，具有細(xì)胞靶向的識(shí)別可以通過細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)反應(yīng)—— 特異性的配體/受體或者抗原/抗體反應(yīng)，識(shí)別特定的細(xì)胞，分子靶向可以通過細(xì)胞內(nèi)部 核酸分子之間的特異性的雜交反應(yīng)來進(jìn)行識(shí)別，而靶向遞送的功能模塊為藥物；對于抗 體偶聯(lián)型藥物（ADC藥物），其識(shí)別模塊是抗體，功能模塊是與抗體偶聯(lián)的小分子藥物；對于CRISPR-CAS9基因編輯系統(tǒng)，其識(shí)別模塊是可以與目標(biāo)DNA雜交的一段Guide RNA 分子，功能模塊則是與Guide RNA相連的可以切割DNA的Cas9核酸酶。

普通的藥物遞送系統(tǒng)在血液里隨波逐流，通過分子間識(shí)別匹配靶標(biāo)，是一種隨機(jī)的行為。而微納機(jī)器人不同的一點(diǎn)在于，人們希望對它的運(yùn)動(dòng)加以精準(zhǔn)控制，達(dá)到“指哪打哪” 的效果。微納機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成熟的重要標(biāo)志之一就是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精確控制。?

精確控制微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，即實(shí)時(shí)監(jiān)控微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置和速度、保持運(yùn)動(dòng)參數(shù) 在設(shè)定范圍，面臨微觀尺度上獨(dú)特的物理現(xiàn)象以及體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的挑戰(zhàn)，是限制微納機(jī) 器人真正產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸。想要實(shí)現(xiàn)微納機(jī)器人的可控運(yùn)動(dòng)，一方面需要驅(qū)動(dòng)， 為微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，另一方面需要通過實(shí)時(shí)成像手段了解機(jī)器人的定位。

低雷諾數(shù)環(huán)境和分子布朗運(yùn)動(dòng)干擾是微納尺度運(yùn)動(dòng)控制的兩大難題

研發(fā)微納機(jī)器人首先要解決的就是驅(qū)動(dòng)問題，這也是目前領(lǐng)域內(nèi)最關(guān)心的問題。當(dāng)物體 的尺寸縮小到微米/納米時(shí)，會(huì)出現(xiàn)常規(guī)尺寸機(jī)器人所沒有遭遇過的挑戰(zhàn)。?

低雷諾數(shù)環(huán)境：?

在微納尺度，液體環(huán)境下的雷諾數(shù)，即慣性力與粘性力的比值十分低。航空飛機(jī)在空中 飛行時(shí)的雷諾數(shù)約107數(shù)量級，人在水中游泳時(shí)的雷諾數(shù)約在104數(shù)量級，而細(xì)菌在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)則約在10-4數(shù)量級。由于微納機(jī)器人微小的尺寸，其運(yùn)動(dòng)時(shí)一般處在 10-5至10-2數(shù)量級的低雷諾數(shù)環(huán)境下,在這種低雷諾數(shù)的環(huán)境中，物體可看作在一個(gè)非常粘滯、微小以及緩慢的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，粘滯力占主導(dǎo)作用，慣性力則可忽略不計(jì)。與大型機(jī)器人能夠靠慣性運(yùn)動(dòng)不同，若想驅(qū)動(dòng)微納米機(jī)器人，必須源源不斷地為其提供動(dòng)力。但由于其微小的尺寸，動(dòng)力源如電池、發(fā)動(dòng)機(jī)等很難裝載在微納米機(jī)器人上。?

分子布朗運(yùn)動(dòng)：?

另外，納米尺度的物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)還會(huì)受到分子布朗運(yùn)動(dòng)的干擾，即分子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)會(huì) 對微納機(jī)器人不停撞擊，使得對其運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行控制的難度大大增加。因此如何驅(qū)動(dòng)微 納米機(jī)器人一直是研究者們研究的重點(diǎn)。?

“扇貝理論”——產(chǎn)生有效位移的非倒易運(yùn)動(dòng)?

微納機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換，它將各種能量（例如磁能、電能、光能和化 學(xué)能）轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。微納機(jī)器人的可采取多種類型的特定運(yùn)動(dòng)形式，例如直線運(yùn)動(dòng)和螺 旋式前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。由于微尺度下的慣性作用可被忽略，能夠驅(qū)動(dòng)宏觀物體的往復(fù)式對稱運(yùn) 動(dòng)無法有效驅(qū)動(dòng)微納米機(jī)器人。1977年，E. M. Purcell提出“扇貝理論”，如果想在低 雷諾數(shù)環(huán)境中發(fā)生有效位移，必須打破運(yùn)動(dòng)時(shí)的對稱性，只有非倒易的運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)有 效位移?！吧蓉惱碚摗蹦壳叭匀痪哂惺种匾牡匚?。

微納機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式

根據(jù)所供應(yīng)能量的形式，微型機(jī)器人可以分為自推進(jìn)式和外場推進(jìn)式兩種。在自驅(qū)式機(jī) 器人中，能量通常由H2O2溶液和酸性溶液提供。由濃度梯度、自電泳和氣泡驅(qū)動(dòng)的微納 機(jī)器人均屬于化學(xué)動(dòng)力/自驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人。外場驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人由外部磁場/電場/ 超聲波驅(qū)動(dòng)，不需要環(huán)境中的化學(xué)燃料，因此與化學(xué)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人相比，它們更適合生 物應(yīng)用。?

自驅(qū)動(dòng)機(jī)器人可將周圍環(huán)境中的化學(xué)能和生化能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推進(jìn)。這些 微納機(jī)器人主要以雙金屬納米線、管狀微納機(jī)器人、Janus微/納米球等形式存在。有相 當(dāng)一部分研究集中于過氧化氫的催化分解。雖然以過氧化氫為燃料的微型機(jī)器人可以實(shí) 現(xiàn)比其它驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)更高的推進(jìn)速度，但它對體內(nèi)的器官和組織有毒，其他的自驅(qū)動(dòng) 方式所需的能源和燃料也通常都具有細(xì)胞毒性，嚴(yán)重限制了它們在生物醫(yī)學(xué)工程中的實(shí) 際應(yīng)用。相比于自驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人，外場驅(qū)動(dòng)的微納機(jī)器人，可使用遠(yuǎn)程的外部場用于 轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)，具有不需要在體內(nèi)環(huán)境中存儲(chǔ)化學(xué)燃料的優(yōu)點(diǎn)。

磁場和超聲場驅(qū)動(dòng)：目前外場驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人的主要方式

磁場?

磁場作為一種可以驅(qū)動(dòng)并控制微納米機(jī)器人的無線操控手段,低強(qiáng)度、低頻率的磁場能夠 無損穿透生物組織，對生物體無害，獲取簡單、調(diào)試方便，因此因此由外部磁場驅(qū)動(dòng)和 操縱的微納機(jī)器人在體內(nèi)應(yīng)用中顯示出巨大的前景，是目前用于醫(yī)療的微納機(jī)器人中研 究最多的驅(qū)動(dòng)方式。磁驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人可分為磁場驅(qū)動(dòng)的微納機(jī)器人：磁場不僅為微納 機(jī)器人提供能量，還用于控制它們的定向運(yùn)動(dòng)；以及磁導(dǎo)向的微納機(jī)器人：將磁場與其 他驅(qū)動(dòng)方式相結(jié)合，其中磁場僅用于控制微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。?

通過模仿磁驅(qū)細(xì)菌等一些基于磁場的天然微生物，開發(fā)出各種磁場驅(qū)動(dòng)的微納機(jī)器人。例如由旋轉(zhuǎn)的磁場驅(qū)動(dòng)的人工細(xì)菌鞭毛以及螺旋微納機(jī)器人是兩種種典型的電磁微納機(jī) 器人。螺旋機(jī)器人由均勻的磁性材料制成或由磁頭和螺旋尾部組成。尾部安裝形似細(xì)菌 鞭毛的磁性螺旋結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)的外部磁場作用下共同旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)微納機(jī)器人前進(jìn)。磁驅(qū) 的微納機(jī)器人必須包含磁性材料，例如Fe3O4、Ni、γ-Fe2O3和FePt等等。?

超聲場驅(qū)動(dòng)?

超聲場用作微納機(jī)器人的外部能量輸入時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)和按需運(yùn)動(dòng)控制，使用壽命長 且具有良好的生物相容性。因此，在過去的幾十年中，通過超聲波對微納機(jī)器人進(jìn)行控 制和驅(qū)動(dòng)也引起了廣泛的關(guān)注。超聲場相關(guān)的驅(qū)動(dòng)適用于各種微納機(jī)器人，包括金屬納 米線和管狀微劑的推進(jìn)，微珠的旋轉(zhuǎn)以及納米顆粒的圖案化。除了可以持續(xù)地驅(qū)動(dòng)微型 機(jī)器人外，超聲場還可以瞬時(shí)超高速度觸發(fā)微/納米物體的噴射，這可能有利于對組織 屏障的穿透。

其他外場驅(qū)動(dòng)方式

光場驅(qū)動(dòng)?

光場在基于光敏分子和原子的微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)中具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。與其它外場如磁、 電和超聲相比，光場通常是通過一個(gè)高度聚焦的光束作用于微納機(jī)器人的，由于組織穿 透深度的限制，光驅(qū)微納米機(jī)器人非常適合在接近皮膚的位置進(jìn)行診斷和治療。這類微 納機(jī)器人的結(jié)構(gòu)包含的Janus球形微顆粒/納米顆粒、棒/線/管狀微納機(jī)器人以及其它具 有多種運(yùn)動(dòng)模式的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，由于光能可以通過能量轉(zhuǎn)換，在微納機(jī)器人周圍造成了 不均勻濃度、熱場或者電場，驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。?

電場驅(qū)動(dòng)?

正如磁場驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人必須包含磁性材料一樣，電場驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人也必須由導(dǎo) 體、半導(dǎo)體或帶電材料構(gòu)成。電驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是無接觸且價(jià)格便宜。通過直流和交流電場 對微納機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)已成為一種新的無線可控制且無燃料的驅(qū)動(dòng)方法。?

馬蘭戈尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)?

馬蘭戈尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)是一種很有趣的驅(qū)動(dòng)方式。馬蘭戈尼效應(yīng)指的是表面張力不同的兩種 液體存在表面張力梯度，表面張力大的對其周圍表面張力小的液體的拉力強(qiáng)，使液體從 表面張力小的一邊向張力大的方向流動(dòng)滲透。生活中，往茶葉里加熱水時(shí)，茶葉中的一 些粉末，可以順著水流倒流進(jìn)入茶壺中，正是這一效應(yīng)的體現(xiàn)。在科幻小說《三體》中， 光速飛船的設(shè)計(jì)也是應(yīng)用了這一效應(yīng)。利用加熱或者加入表面活性劑物質(zhì)，可以降低周圍液體的表面張力，借此驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。但是電場驅(qū)動(dòng)和馬蘭戈尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)這兩種方式，所需的條件比較劇烈，并不適合在體內(nèi)使用。?

由于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式在體內(nèi)存在不同缺陷，關(guān)于驅(qū)動(dòng)方式的研究也一直在不斷進(jìn)行，未 來希望能夠進(jìn)一步模仿細(xì)菌驅(qū)動(dòng)鞭毛運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，這一僅由六個(gè)蛋白質(zhì)構(gòu)成的分子馬達(dá)， 由ATP提供能量，結(jié)構(gòu)將會(huì)更加簡潔，并且具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率。

微納機(jī)器人的集群運(yùn)動(dòng)控制逐漸成為研究熱點(diǎn)

微納機(jī)器人的傳統(tǒng)研究多集中于單體機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造、運(yùn)動(dòng)操控以及應(yīng)用功能探索。然而，隨著工程化需求的發(fā)展,微納機(jī)器人的集群運(yùn)動(dòng)為實(shí)際的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了許多優(yōu)勢：

集群化的微納機(jī)器人的協(xié)同作用和協(xié)作非常重要，而且集群化的微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制 與單個(gè)微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制大不相同。集群中的各個(gè)微納機(jī)器人不僅受外部施加的場 和能量的控制，而且還受其鄰近的機(jī)器人的影響。對運(yùn)動(dòng)集群的精確控制，關(guān)鍵是個(gè)體 間的通信和協(xié)調(diào)，讓信號(hào)在微納機(jī)器人集群中長距離、無衰減、快速、定向的傳遞。

微納機(jī)器人的集群運(yùn)動(dòng)控制

集群行為強(qiáng)烈依賴于距離。具有吸引或排斥力的短程力（例如范德華力吸引，靜電相互 作用，空間排斥力）在蜂擁過程中均起作用。每個(gè)單元生成一個(gè)周圍單元所經(jīng)歷的流場， 并引發(fā)對齊交互。集體運(yùn)動(dòng)中的微/納米試劑都是相互依賴的，并且與它們的鄰居進(jìn)行通信，甚至與有效區(qū)域內(nèi)的惰性微/納米粒子以吸引或排斥的形式進(jìn)行通信。盡管微納機(jī)器 人的濃度很低，但可能會(huì)生成一個(gè)以上的集群模式，因?yàn)榛顒?dòng)粒子之間的短程交互作用 可能不足以合并所有粒子。?

關(guān)于微納機(jī)器人的集群運(yùn)動(dòng)的研究靈感也很大程度上也來自仿生學(xué)。在自然狀態(tài)下生物 有很多自組織現(xiàn)象，產(chǎn)生集群效應(yīng)。比如：

目前研究比較廣泛的是光誘導(dǎo)的集群行為，如水溶液中的AgCl微粒在光驅(qū)動(dòng)下的集群行 為。通過光誘導(dǎo)也實(shí)現(xiàn)了由聚合物微球組成的一側(cè)具有反鐵磁赤鐵礦立方體的Janus顆 粒在二維平面上的集群行為。熱誘導(dǎo)的集合體，他提出了對Janus顆粒的膠體懸浮液的 實(shí)驗(yàn)研究，被稱為活水晶。紫外線照射下可逆組裝和分解的SiO2 -TiO2微粒。集群運(yùn)動(dòng)也 可以在不平坦的表面上很好地執(zhí)行。通過引入動(dòng)態(tài)氣泡以將納米電機(jī)交聯(lián)，并和垂直軸 堆疊，可將集群行為從2D擴(kuò)展到了3D。?

集群機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)很容易受到流體環(huán)境的影響，例如粘度、液體的流動(dòng)性、邊界效應(yīng)以 及其它雜質(zhì)的影響。對此領(lǐng)域的進(jìn)一步研究可能需要開發(fā)具有合理結(jié)構(gòu)和組件設(shè)計(jì)的高 響應(yīng)微納機(jī)器人，以克服實(shí)際生物系統(tǒng)中的潛在運(yùn)動(dòng)抑制?，F(xiàn)有的集群運(yùn)動(dòng)控制存在形 式單一、群體內(nèi)部混亂、仍處于手動(dòng)控制水平等問題,研究群體磁性微納機(jī)器人多種群集 模式的生成、平移運(yùn)動(dòng)和功能應(yīng)用。目前微納機(jī)器人集群的巡航控制而這在應(yīng)用中是遠(yuǎn) 遠(yuǎn)不夠的。例如在復(fù)雜的人體血管網(wǎng)絡(luò)中，集群機(jī)器人如果不能實(shí)時(shí)改變自己的集群分 布和運(yùn)動(dòng)，一旦手動(dòng)控制不及時(shí)或者發(fā)生錯(cuò)誤，將可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

定位反饋：面臨著小尺度下的成像難題

微納機(jī)器人的定位反饋，特別是在體內(nèi)，對于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用也至關(guān)重要。但是微納機(jī)器 人微小的尺寸使體內(nèi)成像技術(shù)難以提供較高的分辨率和對比度。得益于定位和導(dǎo)航的協(xié) 同作用，最終的微納機(jī)器人不僅可以在體外甚至在體內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，而且還可以通過 基于視覺的控制用于特定位置的靶向運(yùn)輸和治療。而且，與靜態(tài)微納機(jī)器人相比，引入 微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)還可以增強(qiáng)成像對比度。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與微納機(jī)器人的啟動(dòng)相結(jié)合， 提供了一種全新的主動(dòng)工具，可用于針對特定部位、以微創(chuàng)方式實(shí)施治療。

功能化環(huán)節(jié)：使微納機(jī)器人執(zhí)行導(dǎo)航以外其它額外任務(wù) 的關(guān)鍵步驟

針對不同功能需要具備對應(yīng)的工作單元，如靶向治療時(shí)需要的藥物儲(chǔ)存和投送單元等。對于生物醫(yī)療應(yīng)用，功能化過程不僅可以應(yīng)用于靶向藥物的運(yùn)輸，還可以應(yīng)用于體外和 體內(nèi)微納機(jī)器人的可視化和跟蹤（即定位）。除了附著藥物這種化學(xué)方式，還可以通過 光熱效應(yīng)、磁熱效應(yīng)等，對微納機(jī)器人集群進(jìn)行加熱，由于腫瘤細(xì)胞難以在≥40℃的環(huán) 境中生存，通過對微納機(jī)器人局部加熱的物理方式，提高區(qū)域溫度，也可以實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì) 胞的殺傷。此外，功能化過程還可以改善生物兼容性，并防止免疫系統(tǒng)將微納機(jī)器人識(shí) 別為異物并對其進(jìn)行攻擊，這會(huì)增加其在體內(nèi)的保留時(shí)間。

仿生人工微管：繞過磁性材料、造影劑和有效載荷三者 之間矛盾的巧妙思路

“現(xiàn)有微納米機(jī)器人的技術(shù)難點(diǎn)在于空間尺寸非常有限。要讓磁控微納米機(jī)器人在磁場 中更高效可控地運(yùn)動(dòng)，需要提高磁性材料占比；給藥量或者血藥濃度與藥物的有效性密 切相關(guān)，如果要提高治療效果，就需要提高微納米機(jī)器人的載藥量；除此之外，磁控顆 ?；蛘呶⒓{米機(jī)器人的具體運(yùn)動(dòng)速度與其周邊環(huán)境息息相關(guān)，這就需要標(biāo)記和反饋磁性 微納米機(jī)器人的位置，也就是需要在微納米機(jī)器人上添加足量的X射線造影劑。而磁性 材料、目標(biāo)藥物和X射線造影劑三者都會(huì)占據(jù)寶貴的空間。因此，按照現(xiàn)有的方案，就 需要互相妥協(xié)，平衡三者的空間占比，甚至在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)捉襟見肘的困難局面。” ——瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，顧紅日博士 而細(xì)胞內(nèi)的微管是細(xì)胞骨架的一部分，它使用蛋白馬達(dá)將囊泡運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞中的不同位置。這些蛋白馬達(dá)并不需要一個(gè)封閉的環(huán)境，他們可以通過和微管的相互作用，沿著微管一 步一步向前行走。

科學(xué)家模仿微管設(shè)計(jì)了一套磁納米機(jī)器人系統(tǒng)，包括磁性人工微管、磁性微納米機(jī)器人 （磁性顆?；蛘叽虐簦┮约按趴赝鈭霾僮飨到y(tǒng)。可以模仿介入支架手術(shù)，將人工微管沿 著靜脈引導(dǎo)到靶向藥物目標(biāo)區(qū)域附近血管，然后引導(dǎo)磁性微納機(jī)器人在人工微管行走， 到達(dá)靶向區(qū)域附近。這項(xiàng)技術(shù)繞開了空間尺寸有限的矛盾點(diǎn)，大幅提高微納米機(jī)器人的 系統(tǒng)的遞送效率和可靠程度。同時(shí)微小的磁性顆粒可以通過自組裝變成更大的顆粒簇， 形成集群運(yùn)動(dòng)模式，降低血管阻力，通過粒子相互作用，更快速高效沿著人工微管移動(dòng)。

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