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01 微納技術(shù)和微納機器人

微納機器人（Micro/Nanorobot）最早由美國物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼教授于1959年提出。他認為人類未來有可能建造一種分子大小的微型機器，可以把分子甚至單個原子作為構(gòu)件，在非常微小的空間里構(gòu)建物質(zhì)。盡管關(guān)于微納機器人的設想在1959年就已經(jīng)出現(xiàn)，但直到上世紀90年代納米技術(shù)的興起，才帶動了其研發(fā)與應用的起步。

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，為機器人技術(shù)和微納生物學/納米醫(yī)學之間的結(jié)合，找到了一條可行路徑，微納機器人應運而生。人們希望通過給微納機器人提供指令和動力，在遠程進行控制，在微納尺度上執(zhí)行任務，并且具有優(yōu)異的靈活性和適應性。

微納機器人泛指在微納米尺度的小型機器人，分為微型機器人（Microbot/Microrobot）和納米機器人（Nanorobot）。從廣義上來講，只要在微納米尺度能夠進行運動和操作的系統(tǒng)都可以叫做微納機器人，因此又稱為微納機器（Micro/Nanomachine）、微納馬達（Micro/Nanomotor)等。

微納機器人是一個綜合性非常強的多學科前沿交叉領(lǐng)域，在納米材料方向與柔性電子、可重構(gòu)表面、主動超材料等領(lǐng)域聯(lián)系緊密，制造微納級別的機身、傳感器、驅(qū)動器涉及微納加工等工程學技術(shù)，對機器人體內(nèi)定位反饋需要醫(yī)學影像學，機器人的設計從仿生學中汲取靈感，功能化實現(xiàn)、細胞表面修飾與化學、分子生物學相關(guān)，突破體內(nèi)生物屏障、細胞的培養(yǎng)和自組裝、DNA分子的設計需要具備解剖學、細胞生物學、生物化學、合成生物學等背景，而最終的醫(yī)學應用，又需要與臨床醫(yī)生緊密合作。

根據(jù)構(gòu)成材料的不同，微納機器人可以分為人工型、生物型、和生物混合型三種。生物型機器人是由天然生物材料制成的，具有出色的生物相容性。人工微納機器人可以自驅(qū)動，也可以由外部場驅(qū)動，具體取決于提供的能量的方式。四十年來，微納機器人已發(fā)展為一個新的前沿熱點研究領(lǐng)域，是微納生物學中最具有吸引力的部分。到目前為止，已經(jīng)有幾十種具有不同設計、功能類型、驅(qū)動模式以及用于定位和反饋的成像策略的微納機器人具有生物醫(yī)學應用的潛力。

微納機器人的發(fā)展大致可以分成基礎(chǔ)研究、微型化、生物化、分子化、智能化五個階段。目前微納機器人的研究處于從“生物化”和“分子化” 走向“智能化”的階段。此外，微納機器人在納米加工、高端制造、重金屬檢測、污染物降解以及軍事領(lǐng)域之中的應用也不容小覷。許多國家紛紛制定微納機器人相關(guān)戰(zhàn)略和計劃，投入巨資搶占微納機器人戰(zhàn)略高地。

02 微納機器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應用前景

A醫(yī)療領(lǐng)域是微納機器人應用的首要場景

利用運送有效載荷的能力，微納機器人可以用于個體化醫(yī)療；利用其傳感裝置收集信號，可用于環(huán)境監(jiān)測和國防領(lǐng)域；利用微納尺度精確控制其行為的能力，可用于微納制造，制造更多的微納機器人。

得益于超小的尺寸，微納機器人能夠進入傳統(tǒng)設備無法到達的微觀環(huán)境中運動及執(zhí)行操作。比如，微納機器人可進入微流控芯片內(nèi)對微結(jié)構(gòu)進行微操作及裝配，進入生物體自然腔道或血管內(nèi)進行探測和藥物遞送，甚至進入單個細胞內(nèi)部來測量細胞核的楊氏模量。微納機器人還可以“協(xié)同作戰(zhàn)”，科學家可控制其群體改變構(gòu)型穿過狹小管道，抵達靶向位置釋放藥物。目前，微納機器人已成為科研人員探索微觀世界新現(xiàn)象和新機理的助手，不過其結(jié)構(gòu)仍較為簡單、功能有限。

隨著各種具有定位和跟蹤的臨床影像技術(shù)的發(fā)展，微納機器人在體內(nèi)診斷和介入中的應用已成為近年來廣泛研究的焦點問題。將表面功能、遠程驅(qū)動系統(tǒng)和顯影技術(shù)的巧妙集成在一起的微納機器人設計，是其實現(xiàn)生物醫(yī)學應用，尤其是體內(nèi)應用的關(guān)鍵一步。

B微納機器人的產(chǎn)業(yè)化應用

目前微納機器人實驗已經(jīng)應用到老鼠等小動物身上，在大動物身上做實驗是目前國際努力的方向。但是靈長類動物或者人體實驗甚至大規(guī)模的臨床試驗，還需要一個相對較長的過程。為了滿足設計的需要，能夠低成本、大規(guī)模、對環(huán)境無害地制備出相應微納米機器人的微加工制造技術(shù)仍需不斷發(fā)展。

C 通過監(jiān)管機構(gòu)的審批將是微納機器人商業(yè)化的關(guān)鍵門檻

微納機器人的實際臨床應用首先需要證明它們的安全性和有效性。各個國家和地區(qū)都有相應的監(jiān)管機構(gòu)。通常通過此類監(jiān)管批準的財務和時間成本高昂，難度巨大。微納機器人本身屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，全球大多數(shù)監(jiān)管機構(gòu)根據(jù)醫(yī)療器械對患者健康的潛在風險對其進行分類。而微納機器人的使用目的，將決定它們的分類。并影響未來臨床轉(zhuǎn)化所需的時間。盡管通過選擇風險較低且易于實現(xiàn)的應用領(lǐng)域（例如基于微納機器人的診斷平臺）似乎更容易通過監(jiān)管審批，但風險較高的應用（例如遞送或手術(shù)）可以為微納機器人帶來更長遠的發(fā)展前景。

03微納機器人六大技術(shù)環(huán)節(jié)

微納機器人在原理上可以看作一個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，經(jīng)過微納機器人處理之后，會產(chǎn)生相應的輸出；輸出端指微納機器人進行的操作，具體包括藥物、酶等功能分子的釋放、獲取疾病的診斷信息等。不同于宏觀機器人，微納米機器人無法外接電線或攜帶電池為其供能，也不能裝載電機來產(chǎn)生運動。此外，在微觀環(huán)境中，如何觀察及無線遙控微納米機器人按指令運動及作業(yè)，也是需攻克的難題。

目前關(guān)于納米機器人的醫(yī)療應用主要是不需要進行自主運動控制的靶向藥物遞送方向。這種DNA納米機器人，通常由DNA適體構(gòu)成，可以通過DNA適體的特異性識別而被細胞中的某些蛋白質(zhì)機制打開，從而使得內(nèi)部有效載荷的釋放。其靶向能力主要取決于適體的蛋白質(zhì)識別能力，與藥物遞送的原理類似；運動功能目前主要限于構(gòu)象運動。

A設計環(huán)節(jié)：

在設計微納機器人時，需要根據(jù)預期功能，對結(jié)構(gòu)和組件進行設計，而這些設計將決定微納機器人所采用的材料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)方面從剛體向軟體方向發(fā)展。

微納機器人的設計靈感來源于對宏觀物體結(jié)構(gòu)和功能的模仿，即仿生學思想。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)或相應功能的機器人。仿生的方式往往難以完全復現(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行結(jié)合而產(chǎn)生的生物混合型微納機器人則很好地解決了這一問題。

B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技術(shù)。實現(xiàn)運動的精確控制，是微納機器人技術(shù)發(fā)展成熟的重要標志。精確控制微納機器人的運動，即實時監(jiān)控微納機器人的運動位置和速度、保持運動參數(shù)在設定范圍，面臨微觀尺度上獨特的物理現(xiàn)象以及體內(nèi)復雜環(huán)境的挑戰(zhàn)，是限制微納機器人真正產(chǎn)業(yè)化應用的主要瓶頸。想要實現(xiàn)微納機器人的可控運動，一方面需要驅(qū)動，為微納機器人的運動提供動力，另一方面需要通過實時成像手段了解機器人的定位。

C驅(qū)動環(huán)節(jié)：

當物體的尺寸縮小到微米/納米時，會出現(xiàn)常規(guī)尺寸機器人所沒有遭遇過的挑戰(zhàn)。低雷諾數(shù)環(huán)境和分子布朗運動干擾是微納尺度運動控制的兩大難題。根據(jù)所供應能量的形式，微型機器人可以分為自推進式和外場推進式兩種。在自驅(qū)式機器人由濃度梯度、自電泳和氣泡驅(qū)動。自驅(qū)動機器人可將周圍環(huán)境中的化學能和生化能轉(zhuǎn)化為機械能，以實現(xiàn)自動推進。外場驅(qū)動的微型機器人由外部磁場/電場/超聲波驅(qū)動。比化學驅(qū)動的機器人更適合生物應用。其他外場驅(qū)動方式還包括光場驅(qū)動、電場驅(qū)動和馬蘭戈尼效應驅(qū)動，但后兩種所需的條件比較劇烈，并不適合在體內(nèi)使用。

D定位反饋環(huán)節(jié)：

微納機器人面臨著小尺度下的成像難題，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。得益于定位和導航的協(xié)同作用，理想狀態(tài)下的微納機器人不僅可以在體外甚至在體內(nèi)進行實時跟蹤，而且還可以通過基于視覺的控制用于特定位置的靶向運輸和治療。而且，與靜態(tài)微納機器人相比，引入微納機器人的運動還可以增強成像對比度。醫(yī)學成像技術(shù)與微納機器人的啟動相結(jié)合，提供了一種全新的主動工具，可用于針對特定部位、以微創(chuàng)方式實施治療。

E集群化控制環(huán)節(jié)：

集群行為強烈依賴于距離，具有吸引或排斥力的短程力在蜂擁過程中均起作用。集體運動中的微/納米試劑相互依賴的，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行通信。盡管微納機器人的濃度很低，但可能會生成一個以上的集群模式。

集群機器人的運動很容易受到流體環(huán)境的影響，進一步研究可能需要開發(fā)具有合理結(jié)構(gòu)和組件設計的高響應微納機器人，以克服實際生物系統(tǒng)中的潛在運動抑制。現(xiàn)有的集群運動控制存在形式單一、群體內(nèi)部混亂、仍處于手動控制水平等問題，研究群體磁性微納機器人多種群集模式的生成、平移運動和功能應用。

F功能化環(huán)節(jié)：

功能技術(shù)環(huán)節(jié)是使微納機器人執(zhí)行導航以外其它額外任務的關(guān)鍵步驟。對于生物醫(yī)療應用，功能化過程不僅可以應用于靶向藥物的運輸，還可以應用于體外和體內(nèi)微納機器人的可視化和跟蹤（即定位）。微納機器人攜帶載荷及釋放除了附著藥物這種化學方式，還可以通過光熱效應、磁熱效應等方式實現(xiàn)。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)將微納機器人識別為異物并對其進行攻擊，這會增加其在體內(nèi)的保留時間。