微纳机器人：从微观世界到精准医疗的革命性技术

微纳机器人：从微观世界到精准医疗的革命性技术

杨湛
-苏州大学教授，博士研究生导师
-中国微米纳米技术学会微纳机器人分会秘书长

孙立宁
-苏州大学教授，博士研究生导师
-俄罗斯工程院外籍院士
-苏州大学机电工程学院院长、机器人与微系统研究中心主任
-苏州大学先进制造技术研究院院长

微纳机器人的定义与分类

微纳机器人是特征尺寸和/或功能尺寸在亚毫米以下的机器人，主要分为微纳操作机器人和微纳游动机器人两大类。微纳机器人融合了物理学、化学、材料学、生物学、机械学、信息学、控制学等多学科前沿研究，是微纳米制造及生物体内探测等方向的制高点，已成为各国科学研究的必争之地。

微纳机器人的关键技术与应用

微纳操作机器人

微纳操作机器人主要基于光学显微镜、原子力显微镜和扫描电子显微镜等平台，通过"自上而下"和"自下而上"的加工方法，实现对纳米级器件的精确操作。近年来，国内外研究团队在该领域取得了显著进展：

• 香港城市大学孙东团队开发了一种基于光镊的细胞自动输送系统，实现了单个或多个细胞的高精度输送。
• 南开大学赵新团队设计了一种高效细胞输送的机器人操作系统，通过PID控制器实现了高效的细胞运输。
• 哈尔滨工业大学谢晖团队基于平行成像/操纵力显微镜，开发了一套基于双悬臂梁的AFM三维纳米操作系统，实现了对纳米颗粒的高效操作。

微纳游动机器人

微纳游动机器人能够在液体环境中自主移动，其驱动方式主要包括化学驱动、物理场驱动和生物驱动等。近年来，研究者们在该领域取得了重要突破：

• 2022年，Chen等设计了一种磁性螺旋机器人，通过五轴电磁线圈系统驱动，实现了三维空间中的运动控制，并展示了对靶向癌症细胞进行有效光热治疗的能力。
• 2020年，Buss等设计了一种将鞭毛大肠杆菌与红细胞杂化制成的纳米脂质体机器人，尺寸为5~7 μm，在二维平面上有着较高的移动速率，最高可达20 μm/s。
• 2022年，Akolpoglu等研发出一种生物杂交策略，使用莱茵衣藻作为生物模型微生物，生产效率高达90%。天然生物聚合物壳聚糖用作黏合剂，用纳米颗粒有效地覆盖微藻的细胞壁。

微纳机器人的发展趋势与挑战

微纳机器人科学与技术现今存在以下重大技术挑战：

• 基于智能材料的高功率自重比的高性能驱动原理与实现方法
• 面向生物体内狭小空间作业的移动、检测与操作送药等微纳米结构新原理
• 纳米操作机器人自主控制原理、多机器人高速协调控制机制
• DNA、染色体、细胞等生物样本的机械特性、物理特性、化学特性的高通量高速检测
• 微纳机器人介入类生理环境感知、自我状态感知与信息传送机制
• 微纳机器人与生物细胞的相容性及相互作用，微纳机器人操作下细胞行为学规律

中国在微纳机器人领域的研究进展

近年来，中国在微纳机器人领域的研究取得了显著进展。从近5年微纳机器人顶级学术期刊发表论文数量来看，中国已处于全球微纳机器人研究的第一梯队。在用于细胞操作的微纳操作机器人、磁控微纳游动机器人等方面取得了一定成果，为新药研制、介入人体血管及消化道开展健康检查和药物颗粒释放的靶向治疗等一系列应用奠定了基础，并提供了技术支撑。

发展建议

面向微纳机器人的重要应用前景与巨大挑战，建议在学科交叉融合、复合型人才培养、国产关键装备及政策扶持应用方面开展顶层设计。在学科交叉融合方面，微纳机器人技术是工程材料、信息科学、物理、化学、生物及医学等学科相互交叉的一门科学与技术。各个学科对同一个研究内容有着不同定义及内涵。例如，在工程材料与信息学科命名的微纳尺度机器人在化学学科命名为胶体马达，在生物及医学学科命名为靶向药物等；基于探针显微镜和电子显微镜的微纳操作机器人系统，在物理学科基本理解为简单的科学仪器。另外，由于各学科的壁垒，亟待建立跨学科平等交流平台，交互各个学科对于微纳机器人技术的需求，带动微纳机器人技术的发展。一方面，微纳机器人科学与技术十分依赖物理学与化学在微小尺度上驱动、感知新原理上的突破；另一方面，也亟待在生物医学上打开应用的突破口。通过两方面的推动开展新系统开发以及新的控制方法研究。因此，开展顶层设计，建立一个能够平等开放的学科交流交叉机制尤为重要。

在关键仪器与装备研发方面，微纳机器人面向微尺度环境，观测仪器主要为各种探针显微镜与电子显微镜。微纳游动机器人的成像系统基于超声及计算机断层摄影术（Computed Tomography, CT）等关键科学仪器，以及相关化学试剂与生物制剂等。因此，也亟待重视、加强国产关键仪器与装备的研发。

在人才培养方面，针对微纳机器人技术的跨学科特性，现有的本硕博培养方案难以直接培养出与之相匹配的复合型人才。以博士生培养为例，高校并不具备执行跨学科交叉的博士生研究题目的条件。当前的教学体系主要基于经典科学与技术构建，而微纳机器人科学与技术则要求深入探索小尺度物理特性，掌握微小结构的多种加工与合成方法，并理解人体生命环境、细胞培养、医学治疗等复杂领域。这些跨学科知识在现有课程体系中往往难以全面覆盖，导致难以批量培养出具备综合能力的复合型人才。鉴于此，建立新的、获得国家认可的人才培养机制变得尤为迫切，需要进一步通过优化课程体系、增强实践教学、搭建跨学科研究平台等方式，为学生提供更加全面、深入的学习与研究环境，从而有效培养出一批适应微纳机器人技术发展的人才。

结语

微纳机器人作为微纳技术的集大成者具有巨大的发展潜力。微纳机器人为未来三维人体组织的控制制造、人体器官的制造，以及真正进入人体血管、组织内部探索和靶向治疗提供了理论依据。从近5年微纳机器人顶级学术期刊发表论文数量来看，当前中国已处于全球微纳机器人研究的第一梯队，已在用于细胞操作的微纳操作机器人、磁控微纳游动机器人等方面取得了一定成果，为新药研制、介入人体血管及消化道开展健康检查和药物颗粒释放的靶向治疗等一系列应用奠定了基础，并提供了技术支撑。未来，通过计算机视觉、新型磁控材料与对微小型磁性物体影像追踪设备等的研发，并在此基础上进一步发展可视化微纳操作技术与磁控微纳游动机器人生物体内靶向给药技术，能够解决微纳操作实时性与效率低，以及微纳游动机器人体内影像追踪的问题，实现微纳操作的实时控制与微纳游动机器人的无创治疗，推动中国微纳机器人科学与技术的研究居于世界领先地位。