微纳机器人运输物体示意图。受访者供图
微纳机器人在抓取细胞。受访者供图
一滴水，在显微镜底下，会奇妙得仿若一个城市。近来，这个微观的“城市”之中，迎来了一位“快递员”，那便是中国科学院理化技术研究所新近研发的3D微纳机器人。它的尺寸大概只有40微米，比头发丝的直径还要细小，可是却能够如同机械手那般，去完成抓取、运输以及释放颗粒、细胞的精密任务，在微观世界达成“手到擒来”，为未来的精准医疗开拓了新路径。
微观“托举”的灵感
那微纳机器人到底属于什么呢，它们是那种工作于微米至纳米这个尺度范围的“智能微型机器”，而且能够去完成像是运动、旋转、抓取以及释放微小颗粒或者细胞等这样一系列任务，进而让人类拥有在微观世界“动手”的能力，在精准医疗这个领域、环境修复这个领域、微纳制造这个领域，微纳机器人有着非常广阔的前景。
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说，我们的出发点，是要克服当前微纳机器人的局限，目前微纳机器人多采用单一材料体系，功能难以扩展，这是科研界面临的挑战，在复杂环境中，要实现多刺激协同控制、完成多步操作。
正因如此，团队提出了一个全新的思路，这个思路是，运用多材料多模块来进行微纳机器人的加工，注意是加工微纳机器人哦。
提到为何选择“手”的造型时，郑美玲讲道，在生活当中，我们常常运用手去抓取物体，故而于设计之际，首先便想到了仿手型的微纳机器人。不仅如此，这只微型“手”呈现双手向上托举的姿态，但其手掌部分能够灵活地进行开合。相较于封闭的结构而言，手指的开放造型更有利于观察目标颗粒，并且在释放的时候也能够更加灵活 。
科研人员称，要做出这般精巧的“手”，所依靠的是“微观画笔”，亦即是飞秒激光直写技术，那该如何去做呢？
从原理来阐述，飞秒激光直写技术运用的是特别短的“飞秒激光脉冲”，（其中1飞秒等同于一千万亿分之一秒），激光束被紧紧地聚焦到材料里边儿，依据非线性光学效应，光和物质彼此之间的相互作用仅仅是在光子数密度非常高的焦点中心区域发生，进而突破光学衍射极限，达成纳米级别的高精度，比头发丝还要细千倍。
因而，科研工作者好似画图那样子，运用激光于各异材料之上“画”出数目众多的微纳结构，使得每一个部分拥有不一样的功能，最终搭建成为一只完整无缺的3D手型微纳机器人。
“快递员”3D手型微纳机器人，是由两种智能材料构成的，其顶部为pH响应模块，此模块好似“感应夹子”能够在碰到特定酸碱环境时，自行进行开合，底部是磁驱动模块，该模块仿若“微型马达”可用外部磁场对其移动、旋转乃至翻转实施远程操控。
成为医生的“隐形助手”
这个被称作 “快递员” 的物体，究竟是以怎样的方式来开展工作的呢？科研领域中的相关人员进行了介绍，先是将其放置于含有液体的环境里面，当周边环境的pH值出现变化的时候，这里所说的变化具体是如变为酸性或者变为碱性这样的情况，微小的纳级机器人的 “手掌” 就会如同花朵绽放或者闭合那般张开或者闭合。这种情形就类似于我们人类手部遇到热水时会自然而然地缩回来一样，这属于一种具备智能特性的应激反应。
“快递员”怎样去进行配送呢？在磁场引导的状况底下，它可以灵活地避开“障碍物”，精准地定位到目标颗粒以及细胞。当检测到酸性环境的时刻，“手掌”会自动合拢从而完成抓取。随后，它翻转身体来调整姿态，安全地送达指定区域，并且在碱性环境当中完成释放颗粒、细胞的动作。
“郑美玲说的是机器人技术，它的性能经过多轮实验验证。”郑美玲先说，“第一轮是抓取能力。在实验里机器人成功抓取运输并释放直径约10微米的聚苯乙烯（PS）微球。同时还成功对人体肾癌细胞，也就是786-O细胞进行精准操作。”郑美玲又说 ，“然后是运动性能测试 。在磁场驱动状况下，机器人能够在液体里灵活移动 。它的最高速度是每秒65.56微米 ，并且可以实现上下 、左右的平面移动 。甚至能够进行翻转和滚动 ，还能轻松越过障碍 。”。
此外，它具备超出预期的可靠性，科研人员使机器人反复经历酸—碱环境循环刺激，“手掌”部分在超过15次频繁开合过后依然能够稳定响应，并未出现结构疲劳的状况，也没有出现功能衰退的问题。
由感应起始至行动达成，从抓取开始到释放告终，3D手型微纳机器人破除了传统微纳机器人仅具单响应、仅有单功能的技术局限，给微观世界的精准操控开启了全新之门。
团队宣称，于未来的应用里面，这般的微纳机器人具备非常大的潜力，我们说不定能够目睹这些微观层面的“快递员”于各个不同的角落去执行精准细密的任务，像是在人体内部携带药物来回穿梭，进而成为医生的“隐形助手” 。
郑美玲讲，微纳机器人能够当作单细胞水平里的微操纵平台，给细胞分选、细胞注入、细胞力学研究等创造可能性。与此同时，于靶向药物以及微创手术方面也存有不错的应用前景，像清除血栓这般的。
于医学领域之外，微纳机器人能够拓展至环境修复、微纳制造等领域，比如说，可用于抓取、富集以及移除水环境里的特定污染物，像微塑料、重金属颗粒等，还能作为微观尺度上可编程的组装工具，用来搬运和组装微纳元器件等。与此同时，它还可作为研究微观世界力学、流体力学的理想平台，为基础科学研究提供助力 [记者 周姝芸] 。
