三位作者，一篇Nature系列综述：微型机器人！|光学|化学|原理|微型机器人|材料|纳米

微型机器人

微型机器人一直是广泛研究的重点，催化了各种创新发展。它们独特的主动运动行为在不同的水性生物和环境介质中提供了独特的能力和优势，如增加输送、增强传质、高效修复和进入小空间。而合理的材料选择、结构设计和表面功能化使各种微型机器人的推进机制和运动控制方法成为可能，从而为不同的应用带来独特的能力。

微尺度机器人（来源：网络）

从材料学视角考量微型机器人的发展

在这篇综述中，加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang等人概述了微型机器人推进和操作的设计原理和材料选择。作者首先介绍了控制微型机器人运动的基本机制，然后介绍了实现高效可控推进的材料设计策略。作者强调了在实现微型机器人的先进功能方面使用各种反应性和响应性材料，涵盖了具有代表性的生物医学和环境应用，并讨论了未来的材料创新将如何影响下一代微型机器人的发展。相关工作以“Materials consideration for the design, fabrication and operation of microscale robots”为题发表在Nature Reviews Materials。

【文章要点】

一、实现微型机器人推进功能的材料考量

在微观尺度上保持有效的运动需要恒定的驱动力，这在很大程度上取决于材料。设计非对称微电机结构对于产生受控运动至关重要。实现这种不对称结构和非往复运动需要仔细的材料选择、周到的电机结构设计和适当的驱动模式。基于化学和物理原理（如声学、光、电场或磁性），已经开发了一些推进机制，以提供微尺度的推进力（图1）。

图1 微纳机器人的基本设计原则

二、实现运动控制的材料考量

微型机器人需要对其方向和速度进行精确的空间和时间控制，以实现复杂的操作和应用。热波动引起的布朗（随机）运动对控制微型机器人的轨迹和调节其速度提出了重大挑战。因此，大量研究已经开发了各种策略来克服这种布朗动力学——赋予微型机器人方向性——并调节它们的速度，以满足未来应用的需求。这些运动控制策略在一定程度上受到了生物电机卓越运动控制能力的启发。它们依靠各种刺激来控制运动活动并提供精确的时空操作（包括按需ON/OFF驱动）（图2）。

图2 各类运动控制策略

三、制造微型机器人

实现微尺度/纳米尺度的推进并将各种功能赋予微型机器人结构，使微型机器人的制造极具挑战性。微型机器人的设计和制造需要仔细考虑几个因素，如活性材料的形状、成分和分布。微型机器人的制造通常依赖于自下而上的技术；目前的技术包括模版辅助的电沉积、卷起纳米薄膜制备、非对称表面改性、斜角沉积、3D打印、生物机器人功能化等等（图3）。

图3 微纳机器人的典型制造过程

四、微型机器人应用

功能化微型机器人具有广泛的应用吸引力（图4）。特别是，微型机器人可以在生物流体中导航，并执行广泛的生物医学任务，如显微外科手术、药物输送、生物靶标的分离、生物传感和在单个活细胞内进行操作。微型机器人在生物流体或组织中的运动增加了它们的停留时间，并可进一步增强靶向药物递送。此外，微型机器人可以通过改善其活性表面与目标污染物之间的传质和相互作用，克服扩散受限反应，提高去污反应的产率，缩短修复时间。为此，用反应性修复材料修饰微型机器人的外表面可以通过物理或化学过程去除或降解污染环境中的污染物。根据所选材料的光学和电学特性，微型机器人可以具有其他更加独特的功能，以实现额外的应用。例如，它们可以用于高分辨率成像，游泳微型机器人光学纳米显微镜就是其中一个比较典型的例子；而纳米机器人的电学特性和主动运动则可被用于自主搜索、检测和修复电路上的微尺度表面裂纹。

图3 典型应用

结论与展望

最后，作者还列举了一些仍然存在的重大挑战：首先，微型机器人的能量转换效率仍然很低，而未来的材料创新有望提高合成微型机器人与天然生物机器人的效率，此外，通过调节表面粗糙度和催化位点的分布，可以进一步提高气泡推进微型机器人的效率，以促进气泡成核和生长，提供新的化学反应路线的新材料也可以提高能量转换效率；其次，扩大复杂多功能微型机器人的制造规模也是至关重要的。因此，需要能够处理先进材料的新制造方法来以可控的可扩展方式创建复杂的3D结构，以实现新的微型机器人能力；最后，型机器人的生物相容性仍有提高的空间，还需要进一步努力，以便在组织和细胞水平上更好地了解微型机器人的免疫原性和遗传毒性。

总的来说，材料选择在微型机器人的快速发展中发挥了巨大作用，也是应用扩展的关键因素。这种对控制微型机器人推进和操作的材料的研究工作为这些微型机器带来了强大的能力。在未来，计算技术有望在选择微型机器人开发的材料方面发挥重要作用。特别是，人工智能技术在筛选、选择和设计用于特定微型机器人操作和应用的新材料方面具有相当大的前景。先进的机器学习算法有望加速发现为微型机器人提供动力的新催化剂和在快速变化的环境中控制其运动的新响应材料。因此，预计下一代机器人技术将在很大程度上依赖于材料科学的重要突破。这种材料创新有望进一步推动微型机器人的发展，并带来令人兴奋的未来应用。

「BioMed科技」关注生物医药×化学材料交叉前沿研究进展！交流、合作，请添加杨主编微信！

https://www.nature.com/articles/s41578-023-00641-2

来源：BioMed科技
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！