中国科学院团队打造3D手型微纳机器人——“手到擒来”的微观“快递员”

  微纳机器人运输物体示意图。受访者供图

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  微纳机器人在抓取细胞。受访者供图

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  在显微镜下，一滴水可以奇妙得像一个城市。最近，这个微观“城市”里迎来了一名“快递员”——中国科学院理化技术研究所最新研发的3D微纳机器人。它的尺寸仅为40微米左右，比头发丝的直径还要小，却能像机械手一样完成抓取、运输和释放颗粒、细胞的精密任务，在微观世界实现“手到擒来”，为未来精准医疗开辟了新路径。

  微观“托举”的灵感

  微纳机器人是什么？它们是工作在微米至纳米尺度的“智能微型机器”，可完成运动、旋转、抓取和释放微小颗粒或细胞等任务，使得人类具备在微观世界“动手”的能力。在精准医疗、环境修复、微纳制造等领域，微纳机器人具有广阔前景。

  “我们的出发点，是想要克服当前微纳机器人的局限。”中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心研究员郑美玲介绍，目前微纳机器人多采用单一材料体系，功能难以扩展，在复杂环境中，要实现多刺激协同控制、完成多步操作，是科研界面临的挑战。

  基于此，团队提出了一个新思路：采用多材料多模块加工微纳机器人。

  谈到为什么选择“手”的造型，郑美玲说：“生活里，我们常用手抓取物体，所以在设计时，首先想到了仿手型的微纳机器人。不仅如此，这只微型‘手’采取双手向上托举的姿态，手掌部分能够灵活开合。相比于封闭的结构，手指的开放造型更便于观察目标颗粒，也能在释放时更加灵活。”

  如何做出这么精巧的“手”？科研人员表示，依靠的是“微观画笔”——飞秒激光直写技术。

  从原理上讲，飞秒激光直写技术采用的是极短的“飞秒激光脉冲”（1飞秒等于一千万亿分之一秒），激光束被紧聚焦到材料内部，基于非线性光学效应，光与物质相互作用仅仅发生在光子数密度极高的焦点中心区域，从而突破光学衍射极限，实现纳米高精度，比头发丝细千倍。

  因此，科研人员像画图一样，用激光在不同材料上“画”出多种微纳结构，让每个部分具备不同功能，最后构建成一只完整的3D手型微纳机器人。

  “快递员”3D手型微纳机器人由两种智能材料组成，顶部是pH响应模块，像个“感应夹子”，遇到特定酸碱环境就会自动开合；底部是磁驱动模块，像个“微型马达”，能用外部磁场远程控制它移动、旋转甚至翻转。

  成为医生的“隐形助手”

  这个“快递员”是如何工作的呢？科研人员介绍，先把它置于液体中，当周围环境的pH值发生变化时（如变酸或者变碱），微纳机器人的“手掌”就会像花朵一样张开或闭合。这就像我们的手遇到热水会自动缩回来一样，是一种聪明的应激反应。

  “快递员”如何进行配送？在磁场引导下，它能够灵活避开“障碍物”，精准定位到目标颗粒、细胞。当检测到酸性环境时，“手掌”自动合拢完成抓取。随后，翻转身体调整姿态，安全送达指定区域，并在碱性环境下完成释放颗粒、细胞的动作。

  “我们对它的性能进行了多轮实验验证。”郑美玲说，“首先是抓取能力。实验中，机器人不仅成功抓取运输并释放了直径约10微米的聚苯乙烯（PS）微球；而且还成功对人体肾癌细胞（786-O细胞）进行了精准操作。在运动性能方面，磁场驱动下，机器人可以在液体中灵活移动，最高速度达到每秒65.56微米，并能实现上下、左右的平面移动，甚至完成翻转和滚动，轻松越过障碍。”

  此外，它的可靠性也超出预期。科研人员让机器人反复经历酸—碱环境循环刺激，“手掌”部分在超过15次开合后仍能稳定响应，没有出现结构疲劳或功能衰退。

  从感应到行动、从抓取到释放，3D手型微纳机器人解决了传统微纳机器人单响应、单功能的技术限制，为微观世界的精准操控打开了新大门。

  团队表示，未来应用中，这样的微纳机器人很有潜力。我们也许能看到这些微观“快递员”在各个角落执行精密的任务，如在人体内携带药物穿梭，成为医生的“隐形助手”。

  郑美玲说：“微纳机器人可作为单细胞水平的微操作平台，为细胞分选、细胞注入、细胞力学研究等提供可能。同时，在靶向药物和微创手术方面也有较好的应用前景，例如清除血栓等。”

  除了医学领域，微纳机器人还可以拓展至环境修复、微纳制造等领域，例如用于抓取、富集并移除水环境中的特定污染物（如微塑料、重金属颗粒），作为微观尺度上可编程的组装工具，用于搬运和组装微纳元器件等。同时，还可以作为研究微观世界力学、流体力学的理想平台，为基础科学研究助力。（记者 周姝芸）