从机器人到微纳机器人：改变的不止是尺寸|微纳机器人|纳米|自动化

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从机器人到微纳机器人：改变的不止是尺寸

李隆球，刘军民，庄仁诚，常晓丛，周德开

DOI：10.3901/JME.2024.23.001

引用本文：

李隆球, 刘军民, 庄仁诚, 常晓丛, 周德开. 从机器人到微纳机器人：改变的不止是尺寸[J]. 机械工程学报, 2024, 60(23): 1-20.

LI Longqiu, LIU Junmin, ZHUANG Rencheng, CHANG Xiaocong, ZHOU Dekai. From Robot to Micro/nanorobot: Changes Not Only Dimensions[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(23): 1-20.

原文阅读（摘要）

摘要：随着机器人技术在工业、医疗、服务、教育和军事等领域的广泛应用，传统的宏观机器人技术逐渐无法满足日益增长的微型化、精细化和功能高度集成化需求。微纳机器人作为机器人领域的新兴分支，因其尺寸小、推重比大、可控性好、拓展性强，成为研究的热点和前沿。通过回顾机器人技术的发展历程，详细分析了机器人发展的四个阶段和五代动力转换，并总结了机器人应具备的技术特征。在此基础上，对微纳机器人的发展历程、内涵及所处技术阶段进行了深入探讨，重点分析了从宏观机器人到微纳机器人在介质环境、驱动方式、运载方式和多功能耦合方式等技术特征的基础性改变，以及这些改变带来的技术挑战。重点从设计、制造、控制和检测四个方面，深入探讨了微纳机器人的深层次变化。最后，提出了微纳机器人技术的未来发展方向和建议。通过对这些问题的详细探讨，为未来机器人技术的发展提供了理论指导和实践基础。期望微纳机器人技术能够在更多领域实现突破，为精准医疗、环境治理、微纳制造等提供新的技术解决方案，推动社会和科技的持续进步。

关键词：微纳机器人；机器人；检测；控制；设计；制造

中图分类号：TP242

前言

在人类科技发展的历程中，机器人技术以其日益广泛的应用领域和持续进步的发展态势，成为了现代社会不可或缺的一部分。从简单的生产型机器人到能够执行复杂任务的自主移动机器人，机器人技术不断发展和创新，推动着工业、医疗、服务、教育、军事等多个领域的变革和进步。

机器人的出现和发展，不仅是人类智慧和技术创新的体现，更是人类不断追求高效、智能和自动化生产的重要成果。随着信息技术的飞速发展，机器人技术正逐步向着智能化、灵活化和人性化等方向发展。然而，随着科技的进步和社会需求的多样化，传统的宏观机器人技术逐渐无法满足对微型化、精细化和高度集成化的需求。微纳技术的迅猛发展，包括纳米材料、微纳加工技术和微纳观测技术等的提升，推动了微纳机器人的诞生。作为新兴的机器人技术分支，微纳机器人因其尺寸小、推重比大、可控性好、拓展性强等特点，成为当前研究的热点和前沿领域。

微纳机器人的出现，不仅扩展了机器人技术的应用领域，还为解决人类社会面临的诸多难题提供了新的技术手段。特别是在生物医疗领域，微纳机器人有望用于精确的药物输送、细胞操作和微创手术，极大地提高治疗的精确性和效果。在微纳制造领域，微纳机器人有望实现高精度的微米和纳米级制造，推动电子、光学和材料科学等学科的快速发展。此外，在环境监测领域，微纳机器人可以用于检测和处理污染物，有利于维持生态环境的平衡和稳定。

因此，深入研究和探索机器人，尤其是微纳机器人技术的发展历程、技术特征以及未来趋势，不仅有助于研究人员更好地理解和应用这一重要技术，还能为未来相关研究和应用提供坚实的理论基础。通过回顾宏观机器人技术的演变过程，研究人员能够清晰地看到技术进步的轨迹和趋势。这不仅可帮助研究人员掌握当前的技术水平，还能预见未来的发展方向和潜在的技术突破点。此外，深入研究微纳机器人的发展历程、技术内涵和应用方向，可以为研究人员提供创新的解决方案，以应对现实世界中的复杂挑战。探讨机器人技术从宏观到微观的转变过程，揭示其深层次变化及其背后的驱动因素，可为未来微纳机器人技术发展提供重要参考。

本文的重点在于探讨机器人技术从宏观到微观的转变过程。通过详细分析机器人发展的四个阶段和五代动力转换，总结机器人技术的发展路径和关键特征。此外，本文还探讨了微纳机器人的发展历程、内涵及当前所处的技术阶段。以尺寸变化为切入点，重点分析了从宏观机器人到微纳机器人在介质环境、驱动方式、运载方式和多功能耦合方式等技术特征的改变，以及这些改变带来的技术挑战。从而重点探讨从宏观机器人到微纳机器人在设计、制造、控制和检测四方面的深层次变化。最后，提出了微纳机器人技术的未来发展方向和建议。通过对这些问题的深入探讨，我们可以更好地理解从宏观机器人到微纳机器人的改变，抓住技术创新的机遇，为国家和科技事业的持续进步贡献智慧和力量。

机器人发展历程

1.1 机器人发展的四个阶段

机器人的发展经历了四个关键阶段，堪称人类科技进步的缩影(图1)。这些阶段的发展不仅反映了技术的革新，也揭示了人类对于智能系统和自动化的持续追求。

( 1) 原始机械阶段。

在原始机械阶段，机器人的概念尚未成形，主要表现为一些依靠物理原理和机械传动被动实现简单功能的机械装置和自动化机器。这些装置用于完成高重复性、低复杂性任务，缺乏自主性和智能性，更多是被动地执行人类的简单指令。例如，古希腊发明家希罗(Heron)设计了一系列自动化机械装置。尽管这些装置尚不具备现代机器人的特征，但它们展现了早期人类对机械自动化的兴趣。

(2) 工业化阶段。在工业化阶段，机器人主要通过预设的程序执行任务。工业革命推动了机器人在工业生产中的广泛应用，开启了工业化时代。 20世纪60年代，首批工业机器人问世，例如1961年Unimation公司推出的尤尼梅特(Unimate)机器人。它被用于通用汽车的生产线，进行点焊工作。相比于原始机械阶段，工业化阶段的机器人以提高生产效率和质量为目标，能够执行较为复杂的加工、组装、检测等任务，显著减轻了工人的劳动强度和提高了生产安全性。虽然这一时期的工业机器人只能执行预设的程序，但它是自动化生产的一个重要里程碑，展现了人类对机械化生产的深入探索和应用。

(3) 信息化阶段。

在信息化阶段，机器人从单纯执行预设程序任务进化为能够感知环境并适应变化。机器人进入信息化阶段，依赖于计算机技术的迅猛发展，除了高度集成外，具备了更强的自主性。传感器和计算机技术的结合，使得机器人开始能够感知、理解环境，并进行执行。例如，用于医疗领域的达·芬奇手术机器人系统(da Vinci Surgical System)通过精密控制实现微创手术，提高了手术的准确性和安全性。信息化阶段的机器人不仅限于执行预设程序，它们开始具备感知能力，能够适应更加复杂和多样化应用场景，从而扩大了其在医疗、服务等领域的应用范围。

(4) 智能化阶段。

在智能化阶段，机器人具备了学习与决策能力，使其能够在不断变化的环境中实现自主行为。当前，我们正处于智能化阶段的初期，人工智能(Artificial intelligence, AI)技术的发展赋予机器人更高级的认知和学习能力。智能化机器人不仅能够完成预编程任务，还能够根据环境变化和学习经验自主调整和优化行为。例如，波士顿动力公司(Boston Dynamics)的Atlas机器人不仅能够在复杂地形中行走、奔跑，并执行跳跃和翻滚等高难度动作，还能够自主协助工人完成工作。智能化阶段的机器人逐渐成为人类生活和工作的紧密伙伴，从工业生产到医疗手术，都发挥着重要作用。随着AI、大数据和感知技术的持续进步，机器人将在更多领域展现出更高的智能化和自主化水平。

机器人的发展史不仅是技术进步的反映，也是人类不断追求高效和智能的体现。未来，可以预见更加智能、灵活且适应性强的“机器生命”将在更多领域发挥重要作用，为人类社会创造更加美好的未来。

1.2 机器人动力转换的五个时代

机器人的发展历程经历了五个关键的动力转换时代，每个时代都代表着技术和社会进步的重要阶段。本节将详细探讨这五代动力转换的背景、关键技术和典型案例，以及其对机器人技术发展的深远影响(图2)。

(1) 自然动力时代。

自然动力时代是机器人技术的萌芽阶段，这一时代的机器主要依赖于自然力量提供动力，如水力、风力，并基于简单机械原理实现特定的功能，如时间测量或天文观测。并且，随着时间的推移，这一时代机械装置的功能和精度逐渐得到提升，对当时的社会进步有重要的意义。巴比伦人的漏壶(公元前1400年)是这一时代早期的代表性案例之一。该漏壶通过水的自然流动来计量时间，用于测量时间和控制农业活动的节奏。古希腊发明家克特西比乌斯(Ctesibius)的水钟(公元前270年)同样使用水力机械来显示时间，但具有更加复杂的机械结构和精确度，更能够长时间稳定地测量时间，使得人们能够更有效地组织社会生活和活动。在自然动力时代末期，我国宋代杰出科学家苏颂制造的以水力驱动水运仪象台(公元1092年)是集天文观测、天文演示和报时系统为一体的大型自动化天文仪器，是世界上最早的天文钟。虽然这些机械装置无法称之为真正意义上的机器人，但它们奠定了机器人发展的基础，为后来的技术创新铺平了道路。

(2) 机械动力时代。

机械动力时代随着人们对机械结构的深入研究而悄然到来，机器人不再依赖于自然力量，而是利用机械动力装置驱动一些简单的自动化机器，其典型代表是发条。这一时期的机器人在复杂性和功能上有了显著提升，使得机器人可以执行更复杂的任务，如模仿动物的行为或执行特定的工业生产任务。法国发明家沃康松(Jacques de Vaucanson)的机器鸭子(1737年)是机械动力时代的标志性案例，它通过复杂的齿轮系统和机械结构模拟了鸭子的叫声和飞行动作。机器鸭子的特点在于其精巧的机械设计和运动模仿能力。相对于自然动力时代的案例，它代表了机械技术在复杂性和精确度上的显著进步，对当时的社会有着极大的娱乐和技术展示意义。瑞士钟表匠德罗斯(Jaquet Droz)发明的写字机器人、绘图机器人、弹风琴机器人(1768—1774年)展示了机械动力时代的功能机器人应用，堪称该时代的巅峰之作。这些机器人分别能够进行文字书写、绘图和音乐演奏等复杂动作，它们证明了机械装置能够执行高级和多样化任务。值得注意的是，通过替换写字机器人内部的可替换凸轮，可使其写出不同的语句，这也意味该机器人可被“编程”。尽管这些机械装置在功能上有一定的局限性，但它们的出现标志着机器人技术逐渐走向了自动化方向。

(3) 蒸汽动力时代。

第一次工业革命的兴起推动了蒸汽机的发展和应用。蒸汽机的出现使得机器人技术迈入了一个全新阶段，人们开始利用蒸汽动力驱动各种工业机械，实现了生产过程的大规模机械化和自动化，如自动提花织布和自动化生产线的建立。相较于机械动力时代，蒸汽动力的引入不仅提高了机器人的能效比和生产效率，对于工业化进程和城市化进程更是起到了重要的推动作用。约瑟夫·雅卡尔(Joseph Marie Jacquard)发明的雅卡尔提花织机的发展是这一时代机器人技术进步的典型代表。1801年，雅卡尔提花织机的问世使得以编程方式生产复杂图案的织物成为现实，但在该阶段其仍由人力驱动。直到蒸汽动力时代，雅卡尔提花织机改由蒸汽机驱动，使其产能得到显著提升。德雷德里克(Zadoc Dederick)的蒸汽人(1868年)是另一个重要代表，它是一种使用蒸汽动力驱动的能够行走和执行简单动作的人形机器人。蒸汽人的进步在于其人形化设计和动态行为能力，展示了蒸汽动力技术在机器人自动化和人机交互中的巨大潜力。

(4) 电气动力时代。

第二次工业革命至今，随着电力技术的不断发展，电机逐渐取代了蒸汽机成为主要的动力来源。电气动力的出现使得机器人技术得以进一步发展，人们开始利用电机驱动各种类型的机器人。相较于蒸汽动力时代，电气动力时代的机器人不仅能够执行更复杂的任务，还具备了更高级别的自动化、智能化和自主化，使得机器人能够适应更多样化和复杂化的工业生产和服务需求。特斯拉(Nikola Tesla)的无线电遥控船(1898年)是电气动力时代早期的标志性案例之一，它使用电气动力和无线电技术，实现了遥控船只的自动化操作。无线电遥控船的特点在于其远距离控制和高精度操作能力，相对于蒸汽动力时代，它展示了电气技术在机器人远程控制和精确操作中的突破。Unimation公司的尤尼梅特(Unimate)工业机器人(1959年)是第一代可编程的工业机器人，它通过电动机和数控系统实现了自动化生产操作。尤尼梅特的意义在于它是工业机器人的开创性应用，对制造业的自动化和生产效率提升起到了革命性作用。

此外，第三次工业革命中，计算机的出现使人类进入信息时代，推动了机器人由自动化向智能化发展。新中国的第一台智能下棋计算机(1958年)结合了电气动力和计算机技术，展示了智能机器在复杂决策和运算方面的应用能力，推动了计算机和AI技术在机器人发展中的融合。谢克机器人(1966年)是世界上首台AI机器人。它使用了先进的电子传感器和控制系统，具有一定的智能化和自主决策能力，对于机器人在复杂环境中应用具有重要意义。AI技术的进步赋予了机器人更强大信息处理和学习能力，代表性的机器人有索尼的AIBO机器狗(1999年)、人形机器人Pepper(2012年)以及首个机器人公民Sophia(2017年)等。它们展示了电气动力时代机器人在社会交流和情感互动方面的进步，通过AI和情感识别技术实现了与人类的高级交流能力。2022年，AI大模型的创建为真正“机器生命”的出现提供了契机。特斯拉的Optimus机器人、波士顿动力公司推出的Atlas机器人、Figure推出的FIGURE 01机器人是机器人向“机器生命”发展道路上的重要里程碑。

(5) 多源动力时代。

20世纪60年代以来，随着微纳技术迅猛发展，微小型机器人技术(毫米级)成为机器人领域的研究热点。多源能场作为微小型机器人的主要动力来源，推动机器人技术进入了多源动力时代。多源动力时代利用磁场、超声场、光场和电场等多种能场来驱动微小型机器人，实现了更高的灵活性和精确度。哈尔滨工业大学李隆球研制的小型化磁场驱动三指微型夹持器是这一时代微小型机器人的典型代表。该夹持器为操纵自由形状的微小物体提供了更强大的解决方案。香港中文大学张立研制的超声场驱动毫米级软机器人是能场驱动的另一典型代表。通过聚焦超声，该软机器人可在毫米级空间实现选择性驱动和牛顿级力，使其有望用于组织采集和修补。这些多源能场驱动技术不仅提高了微小型机器人的功能和性能，还拓展了其应用领域，如医疗和微操作。多源动力时代标志着机器人技术朝着更加精细化和多功能化的方向发展，为机器人在复杂狭小环境中的应用提供了强有力的技术支持。同时，多源动力时代与电气动力时代的动力源长期共存，并在各自的机器人领域发挥不可替代的作用。

从简单的自然动力到复杂的多源动力，机器人不断演变和进化，成为现代社会中不可或缺的一部分。每一个动力时代都为机器人的发展和应用带来了新的可能性和机遇。

未来，随着对可控核聚变技术的深入研究和探索，核动力驱动机器人有望成为未来机器人技术发展的新趋势。相比传统的动力来源，核动力具有能量密度高、持续稳定等优势，可以为机器人提供更长久的动力支持，使得机器人的作业时间更长、效率更高。此外，核动力还具备清洁、环保的特点，可以有效减少对环境的污染，符合可持续发展的要求。我们期待在可控核聚变技术不断取得突破的同时，能够进一步推动核动力机器人技术的研究和应用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。

1.3 机器人的内涵与特征

机器人经历了四个阶段和五代动力转换的发展，在现代科技领域中扮演着越来越重要的角色。然而，对于机器人的定义，学术界和工业界存在多种观点。在广义上，机器人可以被定义为能够执行一定任务的可编程的自动化机器。这种定义包括了各种类型的机器人，从简单的工业装置到复杂的人形机器人，都可以被归类为机器人。然而，这种广义的定义存在着一定的模糊性，因为它并没有明确规定机器人必须具备的特定特征和能力。

因此，为了更准确地界定机器人的概念，学者们提出了更具体的内涵。国际标准化组织(ISO 8373：2021)将机器人定义为：具有一定程度的自主性的程序化驱动机构，可执行运动、操纵或定位。

(1) 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物的某些器官(肢体、感受等)的功能。

(2) 机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。

(3) 机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。

(4) 机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。

根据国际标准ISO 8373以及学术界的共识，机器人应具有以下几个主要特征(图3)。

(1) 可编程性：能够根据预先设定的程序或指令执行任务。

(2) 自主决策：能够在无人干预的情况下执行任务，这意味着机器人能够独立地做出决策和行动。

(3) 感知能力：包括视觉、听觉、触觉、甚至化学感知等多种形式，用于获取环境信息。

(4) 执行能力：包括机器人的运动控制、操作控制等方面的能力，使机器人能够完成各种复杂任务。

(5) 交互能力：能够与人类进行语言、图像等多种形式的交流和互动。

这些特征使得机器人能够在各种复杂的工作场景和任务中发挥作用。并且，随着AI和自动化技术的进一步发展，未来机器人将在更广泛的领域中发挥重要作用，推动社会和科技的进步。

1.4 机器人的创新与发展

随着科技的不断进步和社会需求的日益多样化，机器人技术正经历着快速的演变和创新。为了适应复杂多变的工作环境和任务需求，机器人正从多方面进行创新和发展，包括智能化、柔性化、交互能力、外形设计及尺寸微型化等方面(图4)。这些创新路径不仅提升了机器人的适应性和功能性，也拓展了其在不同领域的应用潜力。

(1) 软体机器人：不同于传统刚性结构机器人，软体机器人能够通过形变适应复杂多变的环境。这种柔性结构赋予了软体机器人极高的可变形性和适应性，使其能够执行传统机器人难以完成的任务，例如在狭窄空间内操作、抓取易碎或不规则物体等。

(2) 共融机器人：与传统工业机器人不同，共融机器人强调与人类工作者的安全和高效互动，通常具有较高的智能水平和感知能力。这些机器人能够通过先进的传感器和AI算法感知周围环境和人类动作，从而进行自主决策和任务执行。

(3) 仿生机器人：仿生机器人的设计灵感来源于自然界各种生物，其结构和功能借鉴生物在长期进化过程中形成的优化方案。通过模仿生物的形态、结构和行为来实现高效运动和任务执行。其中，人形机器人作为仿生机器人的一种特殊类型，专注于模拟人类的外形和运动方式，旨在实现与人类类似的互动和服务体验。

(4) 微纳机器人：微纳机器人是机器人技术向微型化和纳米级别推进的结果，是机器人发展的前沿领域。微纳机器人能够在微观环境进行微操作和执行任务，主要分为两类：微纳操作机器人，专用于微尺度精确操作；以及微纳游动机器人，用于在微观液体环境中自由移动和执行任务。微纳游动机器人(以下简称微纳机器人)，由于其尺寸极小，在医疗、环境保护、微纳制造等领域具有重要的应用前景。

总之，这些创新方向为机器人在不同领域和场景中的应用提供了新的思路和方法，对于推动机器人技术的发展和应用具有重要意义。因此，我们期待在未来的研究和实践中，能够进一步探索和应用这些创新技术。

微纳机器人

2.1 微纳机器人的发展历程

微纳机器人的发展历程可以分为三个关键阶段，每个阶段都标志着该领域的重要技术进步和应用突破(图5)。

(1) 理论奠基阶段。

微纳机器人发展的理论奠基始于著名物理学家理查德·费曼。在1959年的一次演讲中，费曼提出了“底部有足够的空间”(There’s Plenty of Room at the Bottom)的观点，强调了探索微观世界的重要性。他认为，通过控制和操纵原子和分子，人类可以创造出各种微型结构和机器，实现对物质的精确控制和利用。这一观点激发了科学家们对微纳技术的兴趣和探索，为微纳机器人的发展奠定了理论基础。

(2) 材料、结构设计与驱动机制完善阶段。

2004年，美国化学家托马斯·马卢克(Thomas E. Mallouk)首次合成了化学催化型Au/Pt纳米线。这种纳米线能够实现从线性到旋转不同类型的运动，是微纳机器人发展的重要里程碑之一。

在接下来的二十年里，微纳机器人领域在材料、结构设计和驱动机制方面取得了显著进展。从金属材料(如Pt、Ir)、聚合物材料(如聚乳酸-共-乙醇酸、聚3,4-亚乙二氧基噻吩)到生物材料(如孢子、脲酶)等均被用于开发具有不同功能的微纳机器人。Janus球状、棒状、管状、螺旋状、仿生结构以及一些独特的结构均已被设计用于各种环境的微纳机器人。化学场、超声场、光场、电场和磁场及其混合场也赋予了微纳机器人多样化驱动机制。这些驱动技术使得微纳机器人具备了更高的运动速度和精确度，能够在复杂环境中执行各种任务。

2016年，法国化学家让-皮埃尔·索瓦日(Jean- Pierre Sauvage)、美国化学家弗雷泽·斯托达特(Sir J. Fraser Stoddart)和荷兰化学家伯纳德·弗林加(Bernard L. Feringa)因他们在分子机器设计和合成领域的研究而获得了诺贝尔化学奖。这一突破性成果不仅对分子机器学的发展产生了深远影响，也为微纳机器人的设计和制造提供了新的思路和方法。

(3) 智能化与准应用阶段。

微纳机器人在智能化和应用领域不断取得新的突破，正逐步迈入准应用阶段，向实际应用快速发展。2020年，科学家们实现了人类历史上首个以电子方式运行的微米机器人。这种微米机器人由Si、Ti和Pt等材料构成，通过对光能-电能-机械能的转换，能够实现自主的运动。最重要的是，这种以电子方式运行的微米机器人由于与标准CMOS处理兼容，将大幅推进微纳机器人的智能化进程。

此外，微纳机器人的设计和控制手段也趋向智能化。随着AI和大数据技术的发展，微纳机器人能够更精确地感知环境、分析数据，从而提高其在实际应用中的性能和适应能力。例如，利用机器学习算法，微纳机器人可以优化其运动路径，提高任务执行效率和成功率。这些智能化的设计和控制手段为微纳机器人在医疗等领域广泛应用提供了新的可能性。

材料、结构设计与驱动机制的完善，以及智能化进程的推进，促使微纳机器人进入准应用阶段。目前，微纳机器人在各个领域已实现演示验证。在生物医疗领域，哈尔滨工业大学李隆球教授团队演示了磁驱微纳机器人集群的微尺度肠穿孔治疗能力，以及其自主导航能力。在微纳制造领域，香港中文大学王建方教授团队演示了Au纳米机器人在Si衬底上的纳米级图案制造能力。在环境治理领域，布拉格化学技术大学Martin Pumera教授演示了磁藻微机器人去除水中微/纳米塑料的能力。

总之，微纳机器人的发展是一个充满挑战和机遇的过程。未来，随着技术的不断进步和智能化的增强，微纳机器人在生物医疗、微纳制造以及环境治理等领域的应用前景将更加广泛和深入，必将为人类社会的进步和发展注入新的活力。

2.2 微纳机器人的内涵

微纳机器人是宏观机器人的微型化，尺寸通常在纳米级到微米级之间。根据第1.3节对机器人的定义，微纳机器人应具备一系列功能特征，包括可编程性、自主决策、感知能力、执行能力和交互能力等。然而，现有微纳机器人尚未完全具备这些功能特征，仍然面临诸多挑战。

由于早期微纳机器人的研究主要关注其他能量向机械能转化，因此微纳机器人也被称为“微纳马达”。然而，在实际的宏观世界中，马达仅是机器人的一个驱动组件，而微纳机器人应具备更丰富的功能和能力。因此，当前的研究正处于从“微纳马达”向“微纳机器人”的过渡阶段，或可称为“微纳机器”的阶段。未来的研究需要在材料选择、驱动技术、智能控制和系统集成等方面进行进一步突破，以实现真正意义上的微纳机器人。

从机器人到微纳机器人的改变

3.1 基础性改变

从宏观机器人到微纳机器人，改变的不仅仅是尺寸，还包括介质环境、驱动方式、货物装载机制以及多功能耦合方式等(图6)。这些方面的变化不仅仅是简单的几何尺度缩小，更是对整个机器人设计与工作原理的彻底重新构思和重新设计，以适应微小尺度所带来的独特物理和化学特性变化。

(1) 介质环境的改变。

宏观机器人通常在空气或水中等常规环境中操作，而微纳机器人所处的介质环境则是低雷诺数环境。在低雷诺数环境中，微纳机器人受到的惯性力可忽略不计，但粘性力的影响却显著提升。

(2) 驱动方式的改变。

宏观机器人通常依赖于传统的电机、液压系统或气动系统提供动力，并通过机械传动机构实现机器人的驱动。这些驱动系统可以提供足够的驱动力和速度，以实现宏观环境各种任务。然而，在微纳尺度上，这些传统的驱动系统不再适用。微纳机器人驱动方式通常将化学场、超声场、光场、电场、磁场等提供的能量直接转化为机械能，即能量直接执行，无需传动机构。

(3) 运载方式的改变。

在宏观机器人中，通常能够容纳较大和较重负载，如传感器、工具或药物。然而，在微纳机器人中，由于尺寸的限制和运动性能的要求，必须采用更小、更轻的运载机制，以确保微纳机器人的运动和操作能力不受影响。因此，微纳机器人的载货方式多是通过表面功能化修饰方法，以物理吸附或化学键和等方式为微纳机器人提供所需的运载能力。

(4) 多功能集成方式的改变。

宏观机器人可以通过复杂的机械和电子系统实现多功能集成，而微纳机器人由于尺寸的限制需要采用更直接的功能耦合方式，即功能材料的直接集成。在微纳尺度上集成微纳机器人的功能模块，材料的选择和匹配是关键。从无机材料、有机材料到生物材料，材料的固有特性是选择它们来构建微纳机器人的主要原因。

可见，从宏观机器人到微纳机器人的改变不仅是尺寸和规模的缩小，更是一场技术和理念的革新。但是，不可避免地带了新的挑战和难题。

3.2 基础性改变带来的挑战

在微纳尺度和低雷诺数介质环境下，微纳机器人面临着多重挑战。

(1) 高粘滞力运动难。

微纳尺度下微纳机器人受到显著增加的粘滞阻力影响，同时惯性效应显著减弱，这使得它们的运动变得异常困难。这要求能量转换系统和驱动系统更高效，以适应微小尺度和高粘滞环境对运动的严格要求。

(2) 热运动干扰控制难。

低雷诺数环境粘性效应导致的微小扰动对微纳机器人影响更为显著。除了粘性效应，热运动也是微纳尺度一个重要影响因素，它引入了随机性和不确定性，进一步增加了微纳机器人的运动不确定性。这要求控制方法能够实时调整以应对环境变化和扰动，以确保微纳机器人稳定运行。

(3) 微纳表面负载难。

微纳机器人的表面负载能力受到多种因素的制约，包括尺寸限制、材料特性、表面粗糙度和接触力等。这些因素使得微纳机器人在实现高表面负载能力时面临诸多技术挑战，需要通过精密设计和材料优化来解决。

(4) 多材料兼容难。

微纳机器人通常需要集成不同的功能材料，以实现多样化的功能和操作。然而，不同材料之间的相互作用可能会导致性能的降低或功能的失效，例如由于粘附或化学反应而导致材料的分离或退化。因此，如何实现微纳机器人的功能材料相互兼容成为一个重要的挑战。

此外，随着应用环境和功能需求越来越复杂，微纳机器人需要在更加复杂多变的环境中工作，尤其是生物环境应用，对微纳机器人提出了严格的限制和挑战(图7)。在生物环境中，微纳机器人必须穿越生物屏障，如细胞膜、细胞间隙或组织屏障，才能达到目标位置。这些生物屏障通常具有复杂的结构和功能，这要求微纳机器人在设计上具备足够小的尺寸和适当的表面功能化修饰，以突破多重屏障带来的挑战。微纳机器人还必须面对生物体内复杂的生理和生化环境，如体液、组织和细胞。这些环境条件不仅对微纳机器人的材料选择和功能要求提出了挑战，还增加了微纳机器人与生物系统互动的复杂性。微纳机器人必须具备足够的生物相容性，以避免对生物体产生毒性或不良影响。其次，生物环境的复杂性也要求微纳机器人具备更高的感知和控制能力。微纳机器人需要能够感知和响应生物环境的变化，如温度、pH值、粘度、化学物质浓度等，以及生物体的生理状态变化。这种感知和响应能力对于实现微纳机器人在生物体内定位、导航和精确操作至关重要。生物体内的空间限制和复杂的结构特征也对微纳机器人的设计和操作提出了挑战。微纳机器人必须具备足够小的尺寸，以便在微小生物体内部进行导航和操作，同时又能够携带和释放药物、修复组织或进行其他治疗操作。

总之，微纳尺度、低雷诺数介质以及复杂的应用环境对微纳机器人提出了多方面的限制和挑战。为了克服运动难、控制难、负载难、兼容难等挑战，在复杂环境中完成检测、运载与操作等多种任务，微纳机器人必须具备复杂的结构形貌、丰富的材料体系和多种功能的集成能力。因此，设计、制造、控制和检测具有多材料复杂三维结构的多功能微纳机器人至关重要。

3.3 深层次改变：设计策略的改变

微纳机器人的设计是其研制过程中的关键环节，涉及多个方面，包括稳定性、环境适应性和功能性等。这些方面对微纳机器人的材料选择和制造工艺有着重要影响，直接关系到其研发的成败。然而，由于微纳机器人的特殊性，传统宏观机器人设计策略在微纳尺度下面临诸多挑战。

传统的宏观机器人设计策略通常以装配为优先，通过将各个独立功能模块组装在一起实现机器人整体功能。然而，在微纳机器人设计中，这种串行策略无法适用。微纳机器人的尺寸限制使得其难以通过后期装配来整合各个功能模块。此外，由于多材料分布、表面/界面特性、跨尺度结构特征等对微纳机器人性能的耦合影响规律十分复杂，传统宏观机器人的串行设计策略无法实现微纳机器人的高性能设计。因此，微纳机器人的设计发生了重要改变，其需要综合考虑材料、界面、结构和功能/性能的耦合影响，旨在实现免装配集成设计。

首先，微纳机器人设计需要特别考虑多材料分布的复杂性。微纳机器人多由不同种类的材料构成，这些材料在微纳尺度下的行为可能与宏观尺度有显著差异。金属、聚合物和生物材料等在微观环境中的力学、电学和化学性能都需要详细评估和优化。例如，在微纳尺度表现出不同于宏观物理电学性质的石墨烯，不仅可通过增强界面电子转移的方式提升光驱Cu2O基Janus球微纳机器人的运动性能 (图8a)，其高比表面也可提升微纳机器人的负载能力。此外，合理的材料选择和组合可赋予微纳机器人新的功能。例如，通过搭配具有不同密度的材料，设计的非对称微纳机器人可在化学/超声混合驱动中实现正负趋流性(图8b)。

其次，表面和界面特性在微纳机器人设计中起着至关重要的作用。在微观尺度下，表面效应和界面现象显著增强，这意味着微纳机器人在设计过程中必须特别关注表面特性和材料之间的界面相互作用，以确保微纳机器人的稳定性和高性能。例如，相比于Cu、Fe、Ag、Au等金属，Pt与TiO2组成的Janus球形微纳机器人具有更强的运动性能，这主要是由于Pt具有更强的化学势和催化协同作用 (图8c)。通过在Ni与SiO2基体间添加Ti，可以显著降低材料间的界面能，从而增强材料间的结合力和微纳机器人的稳定性(图8d)。通过设计微纳机器人表面的润湿性，使其形成超疏水表面，可大幅提高其运动性能。通过在微纳机器人表面包裹生物膜，可进一步提高其体内环境适应性，使其具备突破免疫屏障的能力。

跨尺度结构特征是另一个重要考虑因素。微纳机器人通常具有复杂三维结构，这些结构在微米尺度和纳米尺度之间跨越，需要在设计时考虑多尺度影响。这要求设计策略能够有效整合不同尺度的结构特征，以实现高效的功能特征。例如，表面纳米结构可通过提高催化材料与介质环境中燃料的接触面积来增强催化效率进而显著提升非对称微机器人的运动性能(图8e)。并且其高比表面积可赋予微机器人更强大的负载能力(图8f)。

总之，微纳机器人设计的改变在于其需要综合考虑多材料分布、表面/界面特性和跨尺度结构特征，采用多因素免装配集成设计策略。这种设计策略不仅提高了微纳机器人的整体性能和适应能力，也为其在复杂环境中的应用提供了坚实的基础。随着微纳机器人技术的不断发展，科学合理的设计策略将成为推动其创新和应用的重要力量。

3.4 深层次改变：制造技术的改变

制造是将微纳机器人从设计理念转变为现实实体的关键环节。然而，由于对微观尺度下表/界面行为及性能演化规律的理解尚不完全，传统宏观机器人制造策略难以满足微纳机器人高集成度、多功能性制造要求。

在传统宏观机器人制造过程中，通常采用串行制造策略，并以尺寸精度为优先。然而，微纳机器人的制造需要重新思考和设计制造流程。因为在微纳尺度下，材料行为、界面现象以及多材料集成变得尤为复杂。微纳机器人制造必须综合考虑材料、界面、结构和工艺的协同效应，采用复合制造技术，以实现设计目标和功能性能的最优化。

首先，微纳机器人制造中最显著的改变是广泛应用“自下而上”的增材制造技术。这种技术能够在微米乃至纳米尺度上构建三维结构(如激光直书写、微流体合成、模板电沉积等)或二维功能涂层(层层自组装、物理气相沉积、原子层沉积等)，提供了极高的设计自由度和精确控制材料分布的能力。例如，利用模板电沉积可以实现管状、棒状、螺旋状等多种结构微纳机器人的制造。利用基于双光子原理的激光直书写可制造具有复杂三维结构的高精度微纳机器人，如双螺旋结构(图9a)、网格螺旋结构等。利用物理气相沉积可制造任意三维结构的非对称功能材料涂层(图9b)。

其次，微纳机器人的制造也需要结合等材制造和减材制造。等材制造技术，如相分离和自卷曲，能够在不改变材料多少的前提下实现微纳机器人整体结构的创成。而减材制造技术，如湿法化学蚀刻和等离子体蚀刻，则能去除多余材料，精细雕刻出所需的微纳结构。这些技术的结合，使得微纳机器人的制造能够同时实现多材料适应性和高结构成型能力。例如，在利用微流控合成技术制造多材料Janus球的过程中，结合相分离方法可实现Janus双球结构，再结合湿法化学蚀刻方法去除双球之一，从而实现月牙形微纳机器人的制造 (图9c)。模板电沉积和湿法化学蚀刻的结合，更是可以制造具有刚柔耦合结构的微纳机器人。

此外，微纳机器人制造还需要特别关注材料、界面、结构、工艺等协同效应，因为这可能会影响机器人的整体性能。因此，在制造过程中，需要采用精密控制的沉积和组装技术，既确保不同材料在界面处能够紧密结合，又不影响微纳机器人的功能特性，甚至可提升其性能。例如，相比于物理气相沉积，原子层沉积不受“视线遮挡”的影响，能够实现对球形基底的大部分表面(除基底与底面的接触部分)进行功能材料的均匀覆盖。这对于以Mg为基底的消耗型微纳机器人而言，可显著延长其使用寿命。原因在于，功能材料的大面积覆盖有效减少了Mg基底与环境的接触面积，从而降低了Mg消耗速率(图9d)。

总之，微纳机器人制造技术的改变主要体现在采用复合制造技术，即综合利用增材制造、等材制造和减材制造技术，并高度重视材料兼容性与界面特性。这种多维度制造技术不仅提高了微纳机器人的整体性能和功能集成度，也为其在复杂环境应用提供了坚实的基础。随着制造技术的不断进步，微纳机器人设计和应用将迎来更加广阔的发展前景。

3.5 深层次改变：控制方法的改变

精确控制是推动微纳机器人应用的核心技术。然而，微纳机器人在控制方面面临诸多不同于宏观机器人的挑战，这些挑战源于其微纳尺度特性和复杂应用环境，主要包括布朗运动干扰、传感器难集成、执行器难制造、环境非可视性、微物理力耦合等挑战，从而导致传统宏观机器人控制方法，如电信号、液压和气动控制，无法满足微纳机器人在微尺度复杂环境下高灵活性和高精度控制需求。因此，微纳机器人控制方法必须进行深刻变革。微纳机器人更多地采用具有精准操控能力、高灵活性、高可调性、高环境适应性等特点的外场控制方法。这些方法利用外部物理场，如磁场、电场、光场或超声场，来实现对微纳机器人运动的高效控制。

磁场控制方法已经被广泛应用于微纳机器人中。通过外部磁场的调节，可以精确控制磁性微纳机器人的运动轨迹。磁场不仅能够提供非接触式远程控制，还可以通过磁场强度和方向变化，实现多种运动模式和功能操作。这种控制方法在生物医学领域显示出了巨大潜力，例如，在离体鸡肠中，利用磁场控制磁性纳米机器人集群实现了可控导航、多模式运动和微尺度肠穿孔修补(图10a)。通过变换磁场模式，还可实现磁性纳米机器人集群的可控形变，从而提高其环境适应能力。

电场控制方法也是微纳机器人常用的控制策略之一。电场可以通过电泳和电渗等现象驱动微纳机器人移动。电场控制的优势在于其响应速度快，能够实现精确的运动控制。同时，通过改变电场的强度和频率，可以实现对微纳机器人复杂运动模式的控制。例如，通过改变电场频率可实现金缺陷管微机器人的正反向运动和三维运动(图10b)。通过设计三维电场还可实现微纳机器人的可控三维运动。

光场控制方法通过采用光的辐射压力或光学捕获效应来驱动和控制微纳机器人。光场控制具有高空间分辨率和非接触控制等特点，可以通过对光束的聚焦和移动，实现对微纳机器人及其集群精确的定位和操控(图10c)。此外，利用光场聚焦引发的空化效应可实现单个微纳机器人的运动速度快速提升(图10d)。

超声场控制方法通过采用超声波的压力梯度来驱动和操控微纳机器人。超声场控制具有较强的穿透力和较高的控制精度，可以通过调节超声波频率和强度，实现对微纳机器人运动的精确控制(图10e)。声场控制在复杂介质环境应用前景广阔，例如，可以在血液和组织中进行药物输送和病理诊断。

在复杂动态环境中，无需人工辅助的按需运动仍是微纳游动机器人的主要发展方向。得益于AI算法和视觉反馈控制等技术的发展，微纳机器人可在简单环境中实现精确的路径规划和自主操纵 (图10f)。然而，面对复杂场景的自主、智能控制仍是需要克服的重大挑战。在此类环境中，微纳机器人必须能够实时处理和分析大量数据，迅速做出决策并调整其运动策略，以应对不断变化的环境条件和潜在的障碍物。这不仅要求控制系统具有高度的灵活性和适应性，还需要集成先进的传感和数据处理技术。

此外，与单个微纳机器人相比，集群运动控制能够提升系统的灵活性及整体性能。因此，微纳机器人的集群运动控制也是关键的发展方向。武汉理工大学官建国教授与牟方志教授团队提出的异构微纳机器人集群化策略为微纳机器人的多功能集成和多机器人智能协作提供了新思路。这种异构集群能够高效、协作地完成各种任务，在生物医学等领域具有巨大的应用前景。

总之，微纳机器人在控制方面的改变主要体现在采用外场控制方法。这些外场控制方法利用磁场、电场、光场和超声场等物理场作用，实现对微纳机器人运动和特殊功能的高效控制。通过这种控制策略，微纳机器人不仅能够在微尺度环境中实现高精度和高灵活性运动控制，还能够在复杂应用环境中完成各种任务。未来，随着外场控制技术和智能控制算法的不断发展，微纳机器人的控制将变得更加智能化和多样化。

3.6 深层次改变：检测方法的改变

检测是保障微纳机器人功能和性能的关键环节之一。在宏观机器人领域，检测通常侧重于零部件的制造精度和装配精度。这种策略确保了机器人各部件之间的精确配合，从而达到预定的机械性能和操作精度。然而，对微纳机器人而言，由于其尺寸和结构的特殊性，及其设计和制造策略强调功能和性能，其检测方法也必须相应调整。传统的检测方法和指标已不足以评估微纳机器人的功能特性。相反，必须通过采用综合考虑功能和性能的多维检测方法来全面评估微纳机器人的各项指标。

微纳机器人的功能检测是其核心。功能检测一般包括对微纳机器人在特定环境中执行特定任务的能力进行评估。例如，通过检测运动速度和去污率，来评定基于机器学习算法设计的催化型水净化微纳机器人的功能(图11a)。通过油污染物去除实验，检测多孔微纳机器人的去污功能(图11b)。、

此外，微纳机器人的可控性、载物能力、传感能力等都是功能检测的重要指标。此外，由于微纳机器人常在复杂动态微环境中工作，因此需要模拟真实应用环境，通过采用先进的检测设备和技术，检测其各项功能。这不仅要评估微纳机器人在标准条件下的表现，还要在各种极端条件和复杂环境中进行测试，以确保其功能的可靠性和稳定性。

微纳机器人的性能检测同样至关重要。性能检测主要包括对微纳机器人各项性能参数的量化评估，如灵活性、耐久性、功耗等。性能检测需要使用高精度的测量仪器和方法，对微纳机器人的运动特性进行详细分析。此外，性能检测还需要评估微纳机器人在长时间运行中的稳定性和可靠性，以确保其实际应用的可持续性和高效性。例如，对于驻留在体内的载药微机器人，需要对其药物装载与长时药物释放性能进行检测(图11c)。对于需要经过胃部的微纳机器人或其载体，还需要进行耐酸性测试(图11d)。针对应用于肠道的微纳机器人需要检测其在粘性环境的运动能力。

针对多功能耦合微纳机器人，检测变得更加复杂和关键。首先，需要分别评估每个独立功能。例如，对于同时具有传感和治疗功能的微纳机器人，需要分别检测其传感精度和治疗效果。此外，还需检测各功能在协同工作时的效果和交互影响，通过系统仿真和实验验证的方式，分析各功能在不同耦合条件下的表现。因此，建立多功能耦合评价标准尤为重要，该标准需综合考虑不同功能之间的协调性和整体效率。此外，为应对多功能耦合的挑战，必须发展综合性检测技术，以同时评估多种功能的协同效果。需要建立多维度、多参数的检测系统，实时监测各功能的状态和相互作用。例如，利用多传感器融合技术，结合数据分析和机器学习算法，以实现对多功能耦合微纳机器人的全面检测和性能优化。为了支持这一目标，需要研发新型检测设备，其应包括高分辨率成像装置、高灵敏传感器及高精度控制系统，以适应微纳机器人复杂的检测需求。然而，面向微纳机器人的多功能耦合评价标准和新型检测设备目前仍处于早期发展阶段，尚未完全建立和开发。

总之，与宏观机器人不同，微纳机器人的检测重点从制造精度和装配精度转向功能和性能的评估。这种转变不仅反映了微纳机器人应用环境的复杂性和多样性，也强调了其功能实现和性能表现的重要性。未来，随着微纳机器人技术的不断进步，检测方法将更加精细和多样，为微纳机器人的功能和性能提供保障。这不仅有助于推动微纳机器人在各个领域的广泛应用，还将为智能化和高效能微纳机器人系统的研发奠定基础。

发展建议

(1) 促进微纳机器人与AI的深度交叉融合。

微纳机器人与AI的深度交叉融合将推动微纳机器人技术的进一步发展。AI在机器人领域的应用已经取得了显著进展，包括路径规划、目标识别、自主决策等方面。然而，对于微纳机器人，AI的应用面临一些独特的挑战和发展机遇。

其挑战是AI算法需要适应微纳尺度机器人的特殊环境和工作条件。微纳机器人运动受到布朗运动的干扰，环境动态性高，传感器和执行器能力受限，这些因素限制了传统AI方法的直接应用。因此，新型AI算法需要结合微纳机器人的特性，考虑微小尺度环境下实时响应和自主决策能力。

其机遇是AI在微纳机器人应用中不仅可以提升其智能化水平和自主操作能力，还可以增强其多因素耦合设计和多工艺复合制造的能力。利用深度学习和强化学习算法，微纳机器人可以从复杂的感知数据中学习，优化路径规划和运动控制策略，实现高效任务执行和精确操作。另外，利用智能算法学习微纳机器人领域前期研究成果的基础数据，可以搭建AI驱动的智能设计和制造平台，实现微纳机器人材料、界面、结构、功能、性能、工艺的全方位非主观耦合设计。

(2) 推进微纳机器人基础研究与产业化应用协同发展。

微纳机器人基础研究与产业化应用之间的协同发展是实现技术商业化和市场推广的关键。目前，微纳机器人技术在实验室研究阶段已取得了一些突破，但要将其应用于实际生产和商业化市场仍面临诸多挑战。

因此，首先需要加强基础研究，探索微纳机器人的新材料、新制造工艺、新控制算法和新功能设计方法。这些研究成果对于提升微纳机器人的性能和功能至关重要。其次，要加快微纳机器人技术的产业化进程，需要建立产业界与学术界的紧密合作。产业界能够提供实际应用场景和市场需求的反馈，推动技术从实验室走向市场。

(3) 拓展微纳机器人应用范围和领域。

微纳机器人应用潜力巨大，不仅限于生物医疗领域，还可以涵盖环境监测、军事安全、工业制造和航空航天等多个领域。拓展微纳机器人应用范围和领域将促进其技术进步和产业应用。因此，要加强跨学科合作，促进工程技术、医学、生物学、物理学和计算机科学等领域的跨学科合作，推动微纳机器人技术在不同领域的应用创新。

通过促进微纳机器人与AI的深度交叉融合、推进基础研究与产业化应用的协同发展，以及拓展其应用范围和领域，可以进一步推动微纳机器人技术的发展和应用。促进其在多个领域的广泛应用和产业化进程，为社会和经济发展带来新的科技成果和生产力增长点。随着技术的不断进步和应用范围的不断扩展，微纳机器人必将成为未来智能化社会的重要组成部分之一。

结论

本文详细探讨了从机器人到微纳机器人的演进过程，并围绕核心主题“改变的不止是尺寸”展开讨论。本文首先回顾了机器人发展的四个阶段和五代动力转换，揭示了机器人技术在技术特征和应用范围等显著变化。随后，重点分析了微纳机器人作为机器人技术的新兴分支，探讨了其发展历程、内涵及当前所处的技术阶段。

特别地，本文详细讨论了从宏观机器人到微纳机器人的基础性改变，包括介质环境、驱动方式、运载方式和多功能耦合方式等方面的显著变革，以及这些变革为微纳机器人技术带来新的机遇和挑战。在此基础上，本文重点论述了微纳机器人在设计、制造、控制和检测等四个方面的深层次改变。在设计方面，微纳机器人采用了多因素免装配集成设计策略。在制造方面，微纳机器人的制造必须综合考虑材料行为、界面现象以及多材料耦合效应，并采用复合制造技术以最优化地实现设计目标和功能性能。在控制方面，微纳机器人采用外场控制方法，如磁场、电场、光场或超声场等，以实现对微纳机器人运动的精确操控。在检测方面，微纳机器人的检测方法必须综合考虑其功能和性能的多维度特性，以全面评估其在复杂环境下的各项指标。

最后，本文分享了未来微纳机器人技术发展的三个关键方面。这些方面将为微纳机器人技术的未来发展提供重要的方向和指导。

综上所述，机器人和微纳机器人技术的持续进步将为人类社会带来更多的机遇和挑战。随着技术的不断进步和应用的扩展，我们期待微纳机器人技术能够更好地为人类社会的发展和进步做出贡献。正如本文所述，“从机器人到微纳机器人：改变的不止是尺寸”，这一变化不仅限于尺寸大小的改变，更意味着技术、功能和应用范围的深层次变革，为未来社会的科技创新提供了无限可能。

作　　者：李隆球

责任编辑：赵子祎

责任校对：恽海艳

审　　核：张　强

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