在1966年的科幻電影《神奇旅程》中，描繪了一個激動人心的場景：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技術會議，標志著納米科技的正式誕生，微納機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器人技術的發(fā)展，上述場景可能在10年～20年后成為現(xiàn)實。

隨著微米科技、納米技術的幾十年發(fā)展，微納學科的認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、系統(tǒng)。微納機器人是一個交叉而精密的學科應用，對應的載體是電子、機械、材料、物理、化學、生物、醫(yī)學等多學科及技術的高度交叉融合體，同時還是一個復雜的工程化機械操作系統(tǒng)結構。

當前，科研界和產業(yè)界在討論微納機器人時，其實在討論的就是醫(yī)療微納機器人/微納機器，這是微納機器人當前主要的應用場景。

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

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

“微納機器人”的叫法并不準確？

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，因此它也有一些更準確的稱呼，比如微納機器、微納馬達等。

這幾個稱呼其實正體現(xiàn)了研究的不同階段。能稱為“機器人”代表了它需要具備三點能力：感受外界、自主決策，以及做出相應的行為。因此在目前階段稱為微納機器更為準確。人們之所以稱之為“機器人”，是因為人們習慣于用過去類似的、耳熟能詳的描述來形容新的事物，同時這也包含人們的美好期待。

“微納機器人”這個稱呼代表了其未來的“智能化”發(fā)展方向：根據體內具體環(huán)境，做出決策。在2015年的一項研究中，這個趨勢已經初露端倪，其研發(fā)的機器人可以檢測DNA或者蛋白質的突變，一旦符合預設的疾病判定標準，機器人就做出釋放藥物的行為，讓人們看到生物計算的相關技術能夠融入微納機器人技術中的潛力。（什么是生物計算？可閱讀2022年數字經濟時代下活躍的中國生物計算企業(yè)正式公布）

盡管微納機器人在1966年就出現(xiàn)了設想，但真正的研究是從1982年掃描隧道顯微鏡在IBM蘇黎世實驗室的誕生開始的。20世紀90年代納米技術的出現(xiàn)，大大推動微納機器人的發(fā)展進程。40年來, 微納機器人已發(fā)展為一個新的前沿熱點研究領域，許多國家紛紛制定微納機器人相關戰(zhàn)略和計劃，投入巨資搶占微納機器人戰(zhàn)略高地。

運動控制—目前微納機器人研究的熱點

微納機器人雖然主要應用也是遞送，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，到達目的地憑的是運氣，能留下才憑的是本事。而微納機器人的運動是可控的，也就是說希望到達目的地這件事也是憑本事辦到的，它甚至要做到逆流而上。

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

微納尺度的運動控制，要比宏觀尺度的難度大得多。首先要了解一個基本原理：一個球，如果直徑變?yōu)閮杀叮敲此谋砻娣e會變?yōu)?倍，而體積會變?yōu)?倍。所以一個物體越大，其表面積相對于體積來說就越小，反過來，一個物體越小，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，微納機器人因為微小的尺寸，通俗來說，表面積將遠遠大于其體積。巨大的表面積意味著巨大的摩擦力或者說粘滯力，而體積小意味著質量或者說慣性小。因此微納機器人處在粘滯力占主導、慣性力可忽略不計的低雷諾數環(huán)境下。與大型機器人能夠靠慣性運動不同，若想驅動微納米機器人，必須源源不斷地為其提供動力。但由于其微小的尺寸，動力源如電池、發(fā)動機等很難裝載在微納米機器人上。若自身攜帶化學燃料會對生物有害，因此外場驅動，尤其是磁場驅動成為主流的選擇。

另外，納米尺度的物體在運動時還會受到分子布朗運動的干擾，即分子的隨機熱運動會對微納機器人不停撞擊，使得對其運動行為進行控制的難度大大增加。因此，如何驅動微納米機器人一直是研究者們研究的重點。

產品化和商業(yè)化仍困難重重

微納機器人從技術上，可以分成設計、制造、運動控制和功能化四大環(huán)節(jié)，而運動控制具體又涉及驅動、定位反饋和集群化控制環(huán)節(jié)。

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

而涉及到微納機器人在體內的實際醫(yī)療應用時，還面臨著更多的問題：微納機器人會不會被免疫系統(tǒng)清除，出師未捷身先死？微納機器人如何突破體內重重生物屏障，深入組織內部？注入人體內的微納機器人最終如何回收，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，但問題是材料的運動可控性和生物可降解性難以兼顧。

研究納米機器人最多使用的是磁性材料，可以通過外部磁場對其進行控制，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動，其進入人體后，能源從哪來、如何進行控制就變成了新的問題。

拆解微納機器人原理——六大技術環(huán)節(jié)

若采用光驅動，又要面臨紅外光在組織內的穿透性最多只有幾厘米，無法到達深層組織的問題。

欲解決這些問題，當師法自然，從仿生學中汲取設計靈感。

盡管所處的液體環(huán)境很黏，細菌卻能夠自如游動。目前模仿可自主游動的細菌和精子，研制出了螺旋狀的微型游動機器人。此外昆蟲、尺蠖、甲蟲、魚類、水母等各種生物都為微納機器人的設計提供了靈感。微納機器人的材料，從對人體有害的金屬，運動可控性較差的高分子，向新型的軟體材料和細胞結構轉變，可實現(xiàn)外形的重構，在低雷諾數的介質中表現(xiàn)出理想的推進性能。

此外，在自然狀態(tài)下生物還有很多自組織現(xiàn)象，產生集群效應。比如大腸桿菌會形成類似魚群的集群運動，線蟲會聚集形成大團，并在周圍形成網絡狀的團簇。集群化運動的微納機器人，在運載能力、成像對比度、克服阻力和整體控制方面，都比單個的微納機器人更有優(yōu)勢，因此集群化的運動控制也是未來微納機器人發(fā)展的重要方向。

微納機器人將在精準醫(yī)療領域大展身手

微納機器人的技術應用潛力和發(fā)展階段

可以期待，在解決了上述一系列問題之后，微納機器人將在醫(yī)療領域發(fā)揮重要作用，深入組織內部，進行精準的藥物遞送、手術以及醫(yī)學成像和診斷，這與精準醫(yī)療的理念不謀而合。

隨著基因測序、靶向藥物研發(fā)、細胞免疫治療、基因治療等新技術不斷發(fā)展，精準醫(yī)療改變了以往簡單式的醫(yī)患互動關系，強調針對病患全面全程的觀察診斷，并提出差異性、個性化的醫(yī)療方案。

從應用領域的影響力角度看，微納機器人在遞送和手術領域，其可能帶來的臨床價值相對于成像和診斷將會更高，因此其在科研領域的關注度和應用領域的期望值也會更高。

未來微納機器人真正產品化之后，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、血管介入機器人等技術形成互補和部分替代的關系：微納機器人的性能更好，但是成本也會更高，那些普通的醫(yī)療技術能解決的問題將沒有必要通過微納機器人來進行。

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

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

綜上所述，醫(yī)療微納機器人目前仍處于中早期科研探索階段，距離臨床應用仍需解決大量的真實場景和工程化問題，比如在體內實現(xiàn)精準的運動控制、材料的可降解性和安全性、如何穿過體內的生物屏障等等，這些交叉技術難題帶來的困難復雜而棘手。

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