二零二二年全球醫療微納機器人技術現狀及產業發展前景

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，至今已發展了30年。隨著納米科技和微納機器人技術的發展，上述場景可能在10年～20年后成為現實。

隨著微米科技、納米技術的幾十年發展，微納學科的認知范圍從特指一些微納米器件，慢慢發展到所有涉及到微米納米尺度的物質、系統。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結構。

當前，科研界和產業界在討論微納機器人時，其實在討論的就是醫療微納機器人/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療就有千絲萬縷的關聯，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/機器系統作為功能載體，微納醫療機器人為人類在醫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，醫療微納機器人為人類跨越至微納米尺度的醫療操作時代提供了新的視角與工具，為21世紀的精準醫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”發展方向：根據體內具體環境，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正式公布）

盡管微納機器人在1966年就出現了設想，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，大大推動微納機器人的發展進程。40年來, 微納機器人已發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略和計劃，投入巨資搶占微納機器人戰略高地。

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，但它與傳統的遞送系統的主要區別是，傳統遞送系統是隨著血液隨波逐流，匹配系統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，如果直徑變為兩倍，那么它的表面積會變為4倍，而體積會變為8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節，而運動控制具體又涉及驅動、定位反饋和集群化控制環節。

這些技術環節緊密相關，解決了一個環節的問題可能又會帶來其他環節的新問題。盡管驅動、定位反饋、功能化等每個環節的單獨實現，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展趨勢是逐漸向生物可降解、完全生物兼容性的方向發展，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——六大技術環節

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，可實現外形的重構，在低雷諾數的介質中表現出理想的推進性能。

此外，在自然狀態下生物還有很多自組織現象，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勢，因此集群化的運動控制也是未來微納機器人發展的重要方向。

微納機器人將在精準醫療領域大展身手

微納機器人的技術應用潛力和發展階段

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

隨著基因測序、靶向藥物研發、細胞免疫治療、基因治療等新技術不斷發展，精準醫療改變了以往簡單式的醫患互動關系，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，其用戶將是臨床醫生，并且可能將和現有的微創手術、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需要在早期階段就與臨床醫生產生緊密合作，在需求端尋找臨床現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，能夠完成更復雜的任務，（醫療）微納機器人即為其中一個重要方向。

綜上所述，醫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展前景持樂觀態度。