探索微觀世界的機器人

不久前，包括中國科學家在內的國際團隊研發出一種比髮絲直徑還小的“微型千紙鶴”，在電壓的作用下，不到一秒就可以自動從平面摺疊完成。作為一種大小隻有幾十微米的新型微型驅動器，這種充滿想象力的千紙鶴是微納米機器人研發領域的又一突破，有助於未來在微納米水平上完成複雜而精細的工作。

人們對微納米機器人的暢想早已有之。20世紀60年代，科幻電影《神奇旅程》就描述了被縮小到只有細胞大小的“微型潛艇”進入人體內的冒險之旅。現實世界中，科學家對能夠在毫米、微米甚至納米尺度執行特定操作的機器人的研究也從未止步。

目前，國際上對微納米機器人的尺寸還沒有統一的嚴格定義。科研人員通常將機器人本體尺寸介於1毫米至1釐米間的稱為毫米機器人，介於1微米至1毫米間的稱為微米機器人，介於1納米至1微米間的稱為納米機器人，後兩者統稱為微納米機器人。微納米機器人的研究屬於多學科前沿交叉領域，機器人學、材料學、物理學、化學、生物學、醫藥學等學科的新發展都會為微納米機器人的發展提供動力。

微納米機器人由於尺寸太小，在研製過程中主要面臨三方面挑戰：能源、驅動和控制。不同於宏觀機器人，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生運動。此外，在微觀環境中，如何觀察及無線遙控微納米機器人按指令運動及作業，也是需攻克的難題。針對這些問題，科學家已開展的微納米機器人研究主要包括磁驅動、光驅動、熱驅動、化學驅動微納米機器人以及微生物機器人等。

微納米機器人主要由微納米材料加工製備而成，其結構有球形、圓餅形、螺旋形、籠子形、仿細菌形等；而微生物機器人則是利用微生物細菌、藻類細胞或白細胞等作為微米機器人，結合其自身運動特性及外部刺激來控制其運動。

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

未來，如果微納米機器人能達到類似生物細胞內分子機器的複雜程度和功能，它們有望幫助人類進行DNA分子編輯、從分子層面上治療疾病，由微觀向宏觀構建物質結構，甚至開發出新型生物能源。微納米機器人的發展，一方面需要各相關學科不斷取得突破，另一方面也要“師法自然”，從自然界和生活的奇妙智慧中不斷獲得靈感。

（作者為中國科學院瀋陽自動化研究所研究員）