微納機(jī)器人運(yùn)輸物體示意圖。受訪者供圖
微納機(jī)器人在抓取細(xì)胞。受訪者供圖
在顯微鏡下，一滴水可以奇妙得像一個(gè)城市。最近，這個(gè)微觀“城市”里迎來了一名“快遞員”——中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所最新研發(fā)的3D微納機(jī)器人。它的尺寸僅為40微米左右，比頭發(fā)絲的直徑還要小，卻能像機(jī)械手一樣完成抓取、運(yùn)輸和釋放顆粒、細(xì)胞的精密任務(wù)，在微觀世界實(shí)現(xiàn)“手到擒來”，為未來精準(zhǔn)醫(yī)療開辟了新路徑。
微觀“托舉”的靈感
微納機(jī)器人是什么？它們是工作在微米至納米尺度的“智能微型機(jī)器”，可完成運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、抓取和釋放微小顆粒或細(xì)胞等任務(wù)，使得人類具備在微觀世界“動(dòng)手”的能力。在精準(zhǔn)醫(yī)療、環(huán)境修復(fù)、微納制造等領(lǐng)域，微納機(jī)器人具有廣闊前景。
“我們的出發(fā)點(diǎn)，是想要克服當(dāng)前微納機(jī)器人的局限。”中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心研究員鄭美玲介紹，目前微納機(jī)器人多采用單一材料體系，功能難以擴(kuò)展，在復(fù)雜環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)多刺激協(xié)同控制、完成多步操作，是科研界面臨的挑戰(zhàn)。
基于此，團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)新思路：采用多材料多模塊加工微納機(jī)器人。
談到為什么選擇“手”的造型，鄭美玲說：“生活里，我們常用手抓取物體，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，首先想到了仿手型的微納機(jī)器人。不僅如此，這只微型‘手’采取雙手向上托舉的姿態(tài)，手掌部分能夠靈活開合。相比于封閉的結(jié)構(gòu)，手指的開放造型更便于觀察目標(biāo)顆粒，也能在釋放時(shí)更加靈活。”
如何做出這么精巧的“手”？科研人員表示，依靠的是“微觀畫筆”——飛秒激光直寫技術(shù)。
從原理上講，飛秒激光直寫技術(shù)采用的是極短的“飛秒激光脈沖”（1飛秒等于一千萬億分之一秒），激光束被緊聚焦到材料內(nèi)部，基于非線性光學(xué)效應(yīng)，光與物質(zhì)相互作用僅僅發(fā)生在光子數(shù)密度極高的焦點(diǎn)中心區(qū)域，從而突破光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)納米高精度，比頭發(fā)絲細(xì)千倍。
因此，科研人員像畫圖一樣，用激光在不同材料上“畫”出多種微納結(jié)構(gòu)，讓每個(gè)部分具備不同功能，最后構(gòu)建成一只完整的3D手型微納機(jī)器人。
“快遞員”3D手型微納機(jī)器人由兩種智能材料組成，頂部是pH響應(yīng)模塊，像個(gè)“感應(yīng)夾子”，遇到特定酸堿環(huán)境就會(huì)自動(dòng)開合；底部是磁驅(qū)動(dòng)模塊，像個(gè)“微型馬達(dá)”，能用外部磁場遠(yuǎn)程控制它移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)甚至翻轉(zhuǎn)。
成為醫(yī)生的“隱形助手”
這個(gè)“快遞員”是如何工作的呢？科研人員介紹，先把它置于液體中，當(dāng)周圍環(huán)境的pH值發(fā)生變化時(shí)（如變酸或者變堿），微納機(jī)器人的“手掌”就會(huì)像花朵一樣張開或閉合。這就像我們的手遇到熱水會(huì)自動(dòng)縮回來一樣，是一種聰明的應(yīng)激反應(yīng)。
“快遞員”如何進(jìn)行配送？在磁場引導(dǎo)下，它能夠靈活避開“障礙物”，精準(zhǔn)定位到目標(biāo)顆粒、細(xì)胞。當(dāng)檢測到酸性環(huán)境時(shí)，“手掌”自動(dòng)合攏完成抓取。隨后，翻轉(zhuǎn)身體調(diào)整姿態(tài)，安全送達(dá)指定區(qū)域，并在堿性環(huán)境下完成釋放顆粒、細(xì)胞的動(dòng)作。
“我們對它的性能進(jìn)行了多輪實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。”鄭美玲說，“首先是抓取能力。實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人不僅成功抓取運(yùn)輸并釋放了直徑約10微米的聚苯乙烯（PS）微球；而且還成功對人體腎癌細(xì)胞（786-O細(xì)胞）進(jìn)行了精準(zhǔn)操作。在運(yùn)動(dòng)性能方面，磁場驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器人可以在液體中靈活移動(dòng)，最高速度達(dá)到每秒65.56微米，并能實(shí)現(xiàn)上下、左右的平面移動(dòng)，甚至完成翻轉(zhuǎn)和滾動(dòng)，輕松越過障礙。”
此外，它的可靠性也超出預(yù)期。科研人員讓機(jī)器人反復(fù)經(jīng)歷酸—堿環(huán)境循環(huán)刺激，“手掌”部分在超過15次開合后仍能穩(wěn)定響應(yīng)，沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞或功能衰退。
從感應(yīng)到行動(dòng)、從抓取到釋放，3D手型微納機(jī)器人解決了傳統(tǒng)微納機(jī)器人單響應(yīng)、單功能的技術(shù)限制，為微觀世界的精準(zhǔn)操控打開了新大門。
團(tuán)隊(duì)表示，未來應(yīng)用中，這樣的微納機(jī)器人很有潛力。我們也許能看到這些微觀“快遞員”在各個(gè)角落執(zhí)行精密的任務(wù)，如在人體內(nèi)攜帶藥物穿梭，成為醫(yī)生的“隱形助手”。
鄭美玲說：“微納機(jī)器人可作為單細(xì)胞水平的微操作平臺(tái)，為細(xì)胞分選、細(xì)胞注入、細(xì)胞力學(xué)研究等提供可能。同時(shí)，在靶向藥物和微創(chuàng)手術(shù)方面也有較好的應(yīng)用前景，例如清除血栓等。”
除了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，微納機(jī)器人還可以拓展至環(huán)境修復(fù)、微納制造等領(lǐng)域，例如用于抓取、富集并移除水環(huán)境中的特定污染物（如微塑料、重金屬顆粒），作為微觀尺度上可編程的組裝工具，用于搬運(yùn)和組裝微納元器件等。同時(shí)，還可以作為研究微觀世界力學(xué)、流體力學(xué)的理想平臺(tái)，為基礎(chǔ)科學(xué)研究助力。
