在1966年的科幻電影《神奇旅程》中，描繪了一個(gè)激動(dòng)人心的場景：一艘被縮小的潛艇可以在人體血管中航行，清除血栓。

1990年7月舉辦的第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議，標(biāo)志著納米科技的正式誕生，微納機(jī)器人的研究也自此啟程，至今已發(fā)展了30年。隨著納米科技和微納機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，上述場景可能在10年～20年后成為現(xiàn)實(shí)。

隨著微米科技、納米技術(shù)的幾十年發(fā)展，微納學(xué)科的認(rèn)知范圍從特指一些微納米器件，慢慢發(fā)展到所有涉及到微米納米尺度的物質(zhì)、系統(tǒng)。微納機(jī)器人是一個(gè)交叉而精密的學(xué)科應(yīng)用，對應(yīng)的載體是電子、機(jī)械、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科及技術(shù)的高度交叉融合體，同時(shí)還是一個(gè)復(fù)雜的工程化機(jī)械操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前，科研界和產(chǎn)業(yè)界在討論微納機(jī)器人時(shí)，其實(shí)在討論的就是醫(yī)療微納機(jī)器人/微納機(jī)器，這是微納機(jī)器人當(dāng)前主要的應(yīng)用場景。

從根源來講，微米科技、納米技術(shù)與生物體和醫(yī)療就有千絲萬縷的關(guān)聯(lián)，細(xì)胞與微生物等本身就是微觀的物質(zhì)。微納作為一個(gè)尺度概念，機(jī)器人/機(jī)器系統(tǒng)作為功能載體，微納醫(yī)療機(jī)器人為人類在醫(yī)療領(lǐng)域的微觀尺度丈量、研究提供了新維度。

此外，微納機(jī)器人更具劃時(shí)代意義在于——從人組織再到單細(xì)胞、單分子，人類對于生物體的研究已經(jīng)進(jìn)入了分子尺度的操作時(shí)代，醫(yī)療微納機(jī)器人為人類跨越至微納米尺度的醫(yī)療操作時(shí)代提供了新的視角與工具，為21世紀(jì)的精準(zhǔn)醫(yī)療邁入下一階段奠定了技術(shù)基礎(chǔ)、打開新思路。

“微納機(jī)器人”的叫法并不準(zhǔn)確？

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，因此它也有一些更準(zhǔn)確的稱呼，比如微納機(jī)器、微納馬達(dá)等。

這幾個(gè)稱呼其實(shí)正體現(xiàn)了研究的不同階段。能稱為“機(jī)器人”代表了它需要具備三點(diǎn)能力：感受外界、自主決策，以及做出相應(yīng)的行為。因此在目前階段稱為微納機(jī)器更為準(zhǔn)確。人們之所以稱之為“機(jī)器人”，是因?yàn)槿藗兞?xí)慣于用過去類似的、耳熟能詳?shù)拿枋鰜硇稳菪碌氖挛铮瑫r(shí)這也包含人們的美好期待。

“微納機(jī)器人”這個(gè)稱呼代表了其未來的“智能化”發(fā)展方向：根據(jù)體內(nèi)具體環(huán)境，做出決策。在2015年的一項(xiàng)研究中，這個(gè)趨勢已經(jīng)初露端倪，其研發(fā)的機(jī)器人可以檢測DNA或者蛋白質(zhì)的突變，一旦符合預(yù)設(shè)的疾病判定標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人就做出釋放藥物的行為，讓人們看到生物計(jì)算的相關(guān)技術(shù)能夠融入微納機(jī)器人技術(shù)中的潛力。（什么是生物計(jì)算？可閱讀2022年數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代下活躍的中國生物計(jì)算企業(yè)正式公布）

盡管微納機(jī)器人在1966年就出現(xiàn)了設(shè)想，但真正的研究是從1982年掃描隧道顯微鏡在IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的誕生開始的。20世紀(jì)90年代納米技術(shù)的出現(xiàn)，大大推動(dòng)微納機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程。40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，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。

運(yùn)動(dòng)控制—目前微納機(jī)器人研究的熱點(diǎn)

微納機(jī)器人雖然主要應(yīng)用也是遞送，但它與傳統(tǒng)的遞送系統(tǒng)的主要區(qū)別是，傳統(tǒng)遞送系統(tǒng)是隨著血液隨波逐流，匹配系統(tǒng)配對正確就留在了那里，到達(dá)目的地憑的是運(yùn)氣，能留下才憑的是本事。而微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是可控的，也就是說希望到達(dá)目的地這件事也是憑本事辦到的，它甚至要做到逆流而上。

但是微納尺度的運(yùn)動(dòng)控制也需要面對兩大難題：高黏性環(huán)境與分子熱運(yùn)動(dòng)干擾。

微納尺度的運(yùn)動(dòng)控制，要比宏觀尺度的難度大得多。首先要了解一個(gè)基本原理：一個(gè)球，如果直徑變?yōu)閮杀?，那么它的表面積會變?yōu)?倍，而體積會變?yōu)?倍。所以一個(gè)物體越大，其表面積相對于體積來說就越小，反過來，一個(gè)物體越小，其表面積相對體積來說就越大。因此對于納米尺度的顆粒，其巨大的表面積將會使它具有很多特殊性能，這是納米材料的重要特性之一。

同樣，微納機(jī)器人因?yàn)槲⑿〉某叽?，通俗來說，表面積將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其體積。巨大的表面積意味著巨大的摩擦力或者說粘滯力，而體積小意味著質(zhì)量或者說慣性小。因此微納機(jī)器人處在粘滯力占主導(dǎo)、慣性力可忽略不計(jì)的低雷諾數(shù)環(huán)境下。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。若自身攜帶化學(xué)燃料會對生物有害，因此外場驅(qū)動(dòng)，尤其是磁場驅(qū)動(dòng)成為主流的選擇。

另外，納米尺度的物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)還會受到分子布朗運(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)。

產(chǎn)品化和商業(yè)化仍困難重重

微納機(jī)器人從技術(shù)上，可以分成設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)動(dòng)控制和功能化四大環(huán)節(jié)，而運(yùn)動(dòng)控制具體又涉及驅(qū)動(dòng)、定位反饋和集群化控制環(huán)節(jié)。

這些技術(shù)環(huán)節(jié)緊密相關(guān)，解決了一個(gè)環(huán)節(jié)的問題可能又會帶來其他環(huán)節(jié)的新問題。盡管驅(qū)動(dòng)、定位反饋、功能化等每個(gè)環(huán)節(jié)的單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，目前都有各自的解決方案，但如何在微納尺度將多個(gè)模塊集成到一起，既攜帶能源，又?jǐn)y帶定位裝置，還攜帶藥物，成為目前微納機(jī)器人的體外研究中主要尚需解決的問題。

而涉及到微納機(jī)器人在體內(nèi)的實(shí)際醫(yī)療應(yīng)用時(shí)，還面臨著更多的問題：微納機(jī)器人會不會被免疫系統(tǒng)清除，出師未捷身先死？微納機(jī)器人如何突破體內(nèi)重重生物屏障，深入組織內(nèi)部？注入人體內(nèi)的微納機(jī)器人最終如何回收，能否通過生物降解/腎臟排出體外，會不會對人體造成長期傷害？

因此微納機(jī)器人的材料發(fā)展趨勢是逐漸向生物可降解、完全生物兼容性的方向發(fā)展，但問題是材料的運(yùn)動(dòng)可控性和生物可降解性難以兼顧。

研究納米機(jī)器人最多使用的是磁性材料，可以通過外部磁場對其進(jìn)行控制，問題在于，磁性材料的生物兼容性通常較差。而目前研究的具有生物可降解性的材料也有很多，比較有代表性的是水凝膠或者多肽。但這些材料無法用磁場驅(qū)動(dòng)，其進(jìn)入人體后，能源從哪來、如何進(jìn)行控制就變成了新的問題。

拆解微納機(jī)器人原理——六大技術(shù)環(huán)節(jié)

若采用光驅(qū)動(dòng)，又要面臨紅外光在組織內(nèi)的穿透性最多只有幾厘米，無法到達(dá)深層組織的問題。

欲解決這些問題，當(dāng)師法自然，從仿生學(xué)中汲取設(shè)計(jì)靈感。

盡管所處的液體環(huán)境很黏，細(xì)菌卻能夠自如游動(dòng)。目前模仿可自主游動(dòng)的細(xì)菌和精子，研制出了螺旋狀的微型游動(dòng)機(jī)器人。此外昆蟲、尺蠖、甲蟲、魚類、水母等各種生物都為微納機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了靈感。微納機(jī)器人的材料，從對人體有害的金屬，運(yùn)動(dòng)可控性較差的高分子，向新型的軟體材料和細(xì)胞結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，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，在自然狀態(tài)下生物還有很多自組織現(xiàn)象，產(chǎn)生集群效應(yīng)。比如大腸桿菌會形成類似魚群的集群運(yùn)動(dòng)，線蟲會聚集形成大團(tuán)，并在周圍形成網(wǎng)絡(luò)狀的團(tuán)簇。集群化運(yùn)動(dòng)的微納機(jī)器人，在運(yùn)載能力、成像對比度、克服阻力和整體控制方面，都比單個(gè)的微納機(jī)器人更有優(yōu)勢，因此集群化的運(yùn)動(dòng)控制也是未來微納機(jī)器人發(fā)展的重要方向。

微納機(jī)器人將在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域大展身手

微納機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用潛力和發(fā)展階段

可以期待，在解決了上述一系列問題之后，微納機(jī)器人將在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，深入組織內(nèi)部，進(jìn)行精準(zhǔn)的藥物遞送、手術(shù)以及醫(yī)學(xué)成像和診斷，這與精準(zhǔn)醫(yī)療的理念不謀而合。

隨著基因測序、靶向藥物研發(fā)、細(xì)胞免疫治療、基因治療等新技術(shù)不斷發(fā)展，精準(zhǔn)醫(yī)療改變了以往簡單式的醫(yī)患互動(dòng)關(guān)系，強(qiáng)調(diào)針對病患全面全程的觀察診斷，并提出差異性、個(gè)性化的醫(yī)療方案。

從應(yīng)用領(lǐng)域的影響力角度看，微納機(jī)器人在遞送和手術(shù)領(lǐng)域，其可能帶來的臨床價(jià)值相對于成像和診斷將會更高，因此其在科研領(lǐng)域的關(guān)注度和應(yīng)用領(lǐng)域的期望值也會更高。

未來微納機(jī)器人真正產(chǎn)品化之后，其用戶將是臨床醫(yī)生，并且可能將和現(xiàn)有的微創(chuàng)手術(shù)、血管介入機(jī)器人等技術(shù)形成互補(bǔ)和部分替代的關(guān)系：微納機(jī)器人的性能更好，但是成本也會更高，那些普通的醫(yī)療技術(shù)能解決的問題將沒有必要通過微納機(jī)器人來進(jìn)行。

微納機(jī)器人的臨床應(yīng)用研發(fā)需要在早期階段就與臨床醫(yī)生產(chǎn)生緊密合作，在需求端尋找臨床現(xiàn)有技術(shù)的痛點(diǎn)和未滿足需求，在應(yīng)用端評估其安全性和有效性。

縱觀納米技術(shù)的發(fā)展，單純的合成一種納米材料并研究他們的特殊性質(zhì)的時(shí)代在慢慢過去。未來，人們會更關(guān)注如何把納米材料整合成一個(gè)復(fù)雜的器件甚至系統(tǒng)，能夠完成更復(fù)雜的任務(wù)，（醫(yī)療）微納機(jī)器人即為其中一個(gè)重要方向。

綜上所述，醫(yī)療微納機(jī)器人目前仍處于中早期科研探索階段，距離臨床應(yīng)用仍需解決大量的真實(shí)場景和工程化問題，比如在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制、材料的可降解性和安全性、如何穿過體內(nèi)的生物屏障等等，這些交叉技術(shù)難題帶來的困難復(fù)雜而棘手。

而科學(xué)研究的思路是可以將復(fù)雜問題拆分為很多簡單的問題，一步步攻克，積少成多，從量變到質(zhì)變，整體而言，我們對微納機(jī)器人的發(fā)展前景持樂觀態(tài)度。