楊湛
-蘇州大學教授，博士研究生導師
-中國微米奈米技術學會微納機器人分會秘書長
孫立寧
-蘇州大學教授，博士研究生導師
-俄羅斯工程院外籍院士
-蘇州大學機電工程學院院長、機器人與微系統研究中心主任
-蘇州大學先進制造技術研究院院長
▍ 文章摘要
微納機器人是特征尺寸和/或功能尺寸在亞公釐以下的機器人，分為微納操作機器人和微納遊動機器人。隨著微納機器人20余年來的發展，為微納制造、生物醫學等領域提供變革性的研究方法與實作手段，微納機器人融合了「自上而下」和「自下而上」的加工方法，是微奈米制造及生物體內探測等方向的制高點，已成為各國科學研究的必爭之地。同時其也是美國【出口管制改革法案】管制的前沿技術。文章主要總結了微納機器人近期重要的發展，闡述了中國學界在其中發揮的重要作用，並對其未來的發展方向與規模化套用進行展望。
▍ 文章速覽
微納機器人是特征尺寸和/或功能尺寸在亞公釐以下的機器人，分為微納操作機器人和微納尺度機器人，可為微納制造、生物醫學等領域提供變革性的研究方法與實作手段。微納機器人是微奈米技術的集大成者，是機器人技術在微觀尺度的延伸，融合了物理學、化學、材料學、生物學、機械學、資訊學、控制學等多學科前沿研究。微奈米機器人在多個領域展現出重大科學意義和廣闊套用前景。在資訊工業中，微納機器人主要套用於積體電路（Integrated Circuit, IC）和奈米機電系統（Nano-electromechanical System, NEMS）的制造與檢測；在生物醫學領域，微納機器人較多套用於亞細胞級的細胞建模和多特性檢測，輔助基因改造、複制等細胞技術的實施。此外，它們還在超微病情診斷、血管堵塞疏通、癌細胞清除及精準藥物輸送等方面發揮著重要作用。微納機器人融合了「自上而下」和「自下而上」的加工方法，是微奈米制造及生物體內探測等方向的制高點，已成為各國科學研究的必爭之地。微納機器人以新型微奈米功能器件研制、生物樣本多特性檢測、微尺度空間探測等為研究方向，為研究生命中能量、物質轉化，生物資訊傳導等生命機理提供有力的支撐，針對生命科學樣品的具體要求，建立一個智慧化、高速化及高穩定性的奈米操作環境，從而推動半自動複制等技術的發展，為未來三維人體組織的控制制造，人體器官的制造，真正進入人體血管、組織內部探索及靶向治療提供理論依據。
納操作機器技術融合「自下而上」的和「自上而下」的加工方法，為奈米級三維的IC制造、微機電系統（Microelectromechanical System, MEMS）裝配提供技術支持，是新一代三維功能性器件制造的關鍵技術，助力積體電路制造的創新發展。套用納操作技術以DNA、染色體、細胞等生物樣本的機械特性、物理特性、化學特性檢測為研究物件，為研究生物工程、基因技術、重大疾病病理等提供重要的支撐，符合「面向人民生命健康」的戰略部署。微納操作技術可提供全新視角和顛覆性的研究方法與手段，奈米結構和「納-微-介觀-宏觀」跨尺度裝置的連線、裝配和整合技術被列為美國Manufacturing the Future中奈米制造部份的重點發展方向。近年來，國家自然科學基金委員會、科技部均對此立項予以重點支持。靶向遞藥微納機器人於2021年被Science列為125個國際科學前沿之一，有望為腫瘤、心血管疾病等疑難雜癥提供無創、高效、低副作用的變革性精準醫療手段，是美國【出口管制改革法案】管制的前沿技術。
綜上，微納機器人是一項融合了目前為止人類所有科學技術的研究，為探尋生命的秘密，升級電子工業的制造能力，研制新藥、介入人體血管消化道健康檢查及藥物顆粒靶向治療等一系列套用奠定基礎並提供技術支撐。鑒於此，需要針對微米奈米技術與生物學、醫學等多學科交叉融合、創新發展的趨勢，文章詳細分析調研微米奈米技術的學科發展現狀，準確把握其發展趨勢，擬定出未來發展路線圖，為中國微米奈米技術方向發展與調整提供技術支撐。
最近5年間，國際重要機器人技術刊物Science Robotics、International Journal of Robotics Research及IEEE Transactions on Robotics發表的微納機器人相關研究方向，中國論文數量已經進入第一梯隊，並在微納機器人技術上逐步取得突破。其中，作為機器人技術的最高專業刊物——Science Robotics，近5年在微納機器人相關領域共發表了42篇論文。中國科研機構作為第一單位的有9篇。微納機器人中國發表論文占比17%，排名已位列該領域前三。作為機器人技術方面的重要期刊，美國電氣電子工程師學會會刊Robots在業內有著很高的聲譽。微納機器人研究多為科學方面研究，在該領域中國學者發表論文占比37%，追平了美國，大振幅領先其他國家。International Journal of Robotics Research中，中國學者的論文占比與美國持平，達到22%，也達到了並跑水平。從三大期刊論文總數上來看，中國在微納機器人領域發表論文略少於美國，與歐洲持平，充分說明中國微納機器人科學方面的研究已處於與國際先進水平並跑階段。
1.微納操作機器人
隨著奈米技術的不斷發展，奈米傳感器展現出了卓越的效能優勢，目前奈米傳感器已成為奈米器件領域的研究熱點之一。現有的奈米傳感器制備方法可分為兩類。一類是傳統制備方法，主要分為「自上而下」的制備方法和「自下而上」的制備方法；另一類是機器人化組裝方法，主要透過控制微納操作機器人來組裝奈米器件。微納操作機器人主要基於以下3類顯微鏡平台：第1類是光學顯微鏡，第2類是原子力顯微鏡，第3類是掃描電子顯微鏡。微操作機器人主要是基於光學顯微鏡或原子力顯微鏡，但是驅動結構與原理和納操作機器人類似，微操作機器人的研究方法通常都能嘗試套用於納操作機器人。目前，國內外的研究團隊在顯微鏡中設計並搭建了各種納操作機器人系統，完成了多種操作任務並開發了納操作機器人的自動化技術，取得了眾多成果。
香港城市大學孫東團隊提出了一種將機器人技術套用於生物細胞自動輸送的光鑷作業系統的新方法。該系統整合了光鑷和機器人技術，並對細胞在運動過程中的動力學方程式進行了分析。透過對電荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）相機影像進行影像處理，利用視覺反饋和閉環控制器實作了自動輸送單個或多個細胞。同時，根據目標位置與實際位置之間的差異生成控制訊號，並透過多個光鑷來同步移動細胞，實作了高精度的細胞自動輸送。
加拿大多倫多大學Zhang等開發了一種高精度、高穩定性的微夾具機器人系統，可用於采集和釋放微物體。該系統設計了一種新型微夾具，用於拾取和放置直徑在7.5~10.9 µm的硼矽酸鹽玻璃球，並透過實驗驗證了該夾具的效能。研究團隊透過視覺技術辨識微夾具和微球，並檢測微鉗與基質的接觸，利用基於視覺的比例積分微分（Proportional Integral Derivative, PID）控制器實作了微鉗的全自動運動控制，從而實作了對微物體的拾取和放置操作。
南開大學趙新團隊設計了一種高效細胞輸送的機器人作業系統。該系統采用PID控制器對機械手和工作台進行控制，實作了高效的細胞運輸。該機器人系統透過采用自動化方法批次處理幹細胞核移植操作，代替了人工批次處理操作。透過使用這種新方法，簡化了對卵母細胞的定位，節省了大量的操作時間。實驗結果表明，這種新的機器人操作方法具有高效率和可重復性。
卡內基梅隆大學奈米機器人實驗室Sitti團隊實作了在原子力顯微鏡下對二維奈米顆粒的自動定位與操作。透過原子力顯微鏡探針尖端的接觸操作，將直徑為100 nm的球形金奈米粒子定位在平坦的雲母襯底上。該團隊還開發了一種粒子中心檢測演算法，透過原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopes, AFM）懸臂撓度（力）訊號來即時檢測接觸損耗，不斷重復操作，直到球形金奈米粒子到達目標位置。利用這些技術方案，整合為一套自動化原子力顯微鏡作業系統。
哈爾濱工業大學謝暉團隊基於平行成像/操縱力顯微鏡搭建出了基於雙懸臂梁的AFM三維奈米作業系統。該系統采用多反饋的奈米夾持器實作微米尺度的三維自動化微操作和微裝配。為了實作雙臂自動並列操作任務，團隊采用了多執行緒系統控制軟體、動態影像處理、任務規劃、雙頭協作和懸臂梁振幅反饋等方法。夾持器由兩個尖端突出的AFM懸臂梁組成，最終實作拾取和放置微小物體。實驗結果表明，該系統可用於平行操作直徑約80 nm的奈米顆粒，提高了奈米操作效率。
中國科學院沈陽自動化研究所劉連慶團隊利用AFM原子力顯微鏡研究了細胞系和原代細胞的細胞黏彈性，其中主要包括斜坡率和表面停留時間等參數。研究結果表明，細胞弛豫時間與測量過程中的參數列面停留時間和斜坡速率顯著相關。該研究揭示了基於AFM的單細胞黏彈性試驗中細胞對不同外部刺激的動態力學特征，這項發現可用於區分不同型別的細胞。同時，該研究提高了對單細胞動態流變學的理解，並為基於AFM的細胞黏彈性分析法鑒別不同型別的細胞提供了新思路。
基於掃描電子顯微鏡的微納操作機器人可以根據電鏡影像對樣品進行即時操作。電鏡中的微納操作機器人具有多個自由度，因此可以實作對目標樣品三維靈活操作。素有「微納機器人之父」之稱的日本名古屋大學的Fukuda（福田敏男）團隊早在2003年就開發了一個具有16個自由度的納操作機器人系統，可用於碳奈米管的拾取、原位表征等微納操作，也可用以制備奈米器件；同時該團隊又研發了基於環境掃描電子顯微鏡（Environmental Scanning Electron Microscope, ESEM）下的機器人化作業系統，成功對單細胞等微納尺度活體目標進行微納操作。該系統的操作器位於圓形導軌上，基於「奈米壓痕」操作理論進行微納操作，完成了活體細胞的切割、參數提取和篩選，實作了活細胞的三維組裝。
瑞士聯邦理工學院 Fahlbusch團隊設計了一種整合在掃描電子顯微鏡中的奈米作業系統。該系統的分辨率約為5 nm，行程幾厘米，可用於奈米定位、奈米操作和微夾持。該團隊還研制了一種具有4個整合自由度和可交換端部執行器的壓電驅動微夾持器，成功將微尺寸的粉末顆粒和碳奈米管附著在夾持器尖端。
2.微納遊動機器人
微納遊動機器人是一類能夠在微小尺度上自主移動的機器人，它們在醫療、環境監測和商業套用等領域展現出巨大的潛力，其發展主要取決於驅動方式及磁驅控制系統的進步。
2.1 驅動方式
微納遊動機器人在液體環境中的運動行為主要取決於所受各外力的共同作用，這些力包括外部場施加的力、凈重力、黏滯阻力，以及機器人之間的交互作用力和水動力等。目前，研究者們已經研發了一系列的推進策略為微納機器人提供運動動力，主要分為以下3種。
1）化學驅動
該驅動方式主要是選擇不同種類的燃料及其對應的催化分解方式，例如雙氧水的催化反應、氫氣催化生成、酶催化分解等。透過化學燃料反應生成氣泡或者不對稱的濃度梯度推動微型機器人運動。
2022年，Xu等開發了一種Ag聚合物所組成的奈米微機器人，簡稱為Janus奈米機器人。首先將TA（Tanic Acid）和F68（Poloxamer 188）作為兩個構建單元進行自組裝，作為順鉑（Cisplatin, CDDP）遞送的奈米載體。之後，在CDDP聚合物負載的其中一側沈積Ag奈米顆粒（Nanoparticle, NP），制備出具有不對稱奈米結構的奈米機器人。該機器人主要用於將順鉑遞送至體內更深處的組織部位，以及增加形成的DNA加合物的數量。奈米機器人透過對pO2的催化分解生成大量的氧氣，從而實作在腫瘤組織中的自推進腫瘤穿透。值得註意的是，順鉑可以透過級聯反應提高細胞內雙氧水的水平，從而進一步促進AgNPs的降解，並伴隨Ag+的釋放，增強順鉑的脫氯和腫瘤細胞DNA（Peritoneal Tumour DNA, ptDNA）的形成。奈米機器人誘導的深層組織滲透，以及PtDNA加合物的形成並維持增加，可以提供80%的腫瘤生長抑制，並且定點靶向治療，極大地保護了正常細胞免受藥物的「攻擊」。
2014年，Gao等使用含有微錐形孔的環孔聚碳酸酯膜樣版制造了聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）/Zn雙層微電機。由於疏溶劑和靜電效應，單體最初在膜孔的內壁上聚合，導致外部PEDOT層的快速形成。隨後在PEDOT微管內恒電流沈積鋅層，然後透過溶解膜樣版來釋放所得到的PEDOT/Zn雙層微結構。該微型機器人主要套用於胃部靶向給藥，所處環境為酸性，利用Zn的催化還原反應，將胃酸中的氫離子還原生成氫氣泡推動機器人運動，並且在小鼠體內實驗驗證了機器人的生物相容性及可行性。
2015年，Ma等使用中空介孔二氧化矽奈米顆粒（Hollow Mesoporous Silica Nanoparticles, HMSNPs）制造了自推進Janus奈米機器人。主要材料為二氧化矽與酶，透過選擇刻蝕法及電子束沈積等方法制備出具有不對稱結構的奈米機器人。該奈米機器人由3種不同酶的生物催化反應提供動力：過氧化氫酶、脲酶和葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase, GOx）。使用生物材料能夠制備出具有生物相容性的微納機器人，以無毒燃料提供自推進力，可套用於生命科學及奈米醫學領域。透過酶分解雙氧水生成氧氣、尿素分解生成二氧化碳以及合成葡萄糖等方式為奈米機器人提供自推力，其速度會受到燃料濃度、機器人尺寸及實驗環境溫度的影響。
2）物理場驅動
該驅動方式不同於化學驅動，主要憑借物理場從外部提供能量給機器人，如磁場驅動、光場驅動、電場驅動、超聲驅動等，具有無線控制、控制精度較高及生物相容性較好等諸多優點。同時，制備的不同種類的機器人也需要覆蓋特定的材料，如入光活性材料、鐵磁性材料及溫控變形材料等，這樣才能對施加的特定物理場做出較高的響應速度與較強的響應能力。
2022年，Chen等結合以往的癌細胞治療研究，設計了一種套用於細胞穿透及靶向癌細胞熱療法的磁性螺旋機器人，體長為8~10 μm，遊動速度最高可以達到12 μm/s。不同於直接雷射寫入（Direct Laser Writing, DLW）、掠射角沈積（Glangcing Angle Deposition, GLAD）等制備方法，該團隊采用的是氣相沈積配合物理沈積的方法制備磁性螺旋機器人，首先使用化學氣相沈積，之後是Ni和Au奈米膜的物理沈積。該種制備方案能夠大批次地生產所需的磁性螺旋機器人。使用五軸電磁線圈系統驅動磁性螺旋機器人，能夠實作其在三維空間中的運動，輔助路徑規劃演算法，實作復雜路徑的自動控制運動。並且該機器人憑借最外層沈積的Au奈米膜，可以穿透細胞膜實作生物傳感功能。此外，奈米機器人還展示了對靶向癌癥細胞進行有效光熱治療的能力，抵達指定目標位置後，施加808 nm的雷射照射10 min便可以達到49 ℃，滿足了光熱治療（Photothermal Therapy, PTT）的溫度要求，提供了一種新的治療癌癥的手段。
2022年，Chen等結合以往腫瘤治療方式的分析與研究，設計了一種由預載碳酸氫銨的光熱活化分解驅動的自燃料奈米馬達。首先使用乳液聚合合成了直徑約為320 nm的單分散聚苯乙烯奈米顆粒，之後使用改進的Stoüber方法在聚苯乙烯奈米顆粒上生長一層厚度約為17 nm的中孔二氧化矽（mSiO2）殼。隨後，煆燒除去聚苯乙烯，獲得了直徑為（337±13）nm的HMSNPs。之後塗上一層碳酸氫銨和聚多巴胺的復合層，最後再濺射金屬層，該機器人具有清晰的中空結構、介孔殼和良好的分散性。在808 nm近紅外雷射的照射下，Au奈米層和聚多巴胺殼層產生的光熱效應會導致預載燃料碳酸氫銨的分解從而產生機器人的驅動力，而機器人群的自推進行為能夠增強對血管的穿透和積累，這有利於增大載藥奈米馬達在病變腫瘤部位的積累量，從而能夠有效地治療腫瘤。
2020年，Xiao等研發設計了一種微型機器人，能夠透過光場、電場以及兩者的混合場驅動機器人的運動。首先透過樣版塗布法（以3 μm微球為核心）合成直徑約為3 μm的TiO2微球，然後在半個球體上濺射Pt。透過堆疊兩片導電銦錫氧化物載玻片，並在其間放置一個墊片，構建了電場驅動的實驗平台。施加最大場強為~10 V/200 μm或5×104 V/m的交流電場，頻率通常在1~100 kHz。由於外部施加的電場引起的電荷，可極化材料，在其表面產生電滲流。同時，TiO2（Pt）微球的兩個半球在電場中的極化非常不同，因此感應電荷電滲在兩個表面上的大小不同，從而產生使顆粒向前移動的不對稱流動。這種推進機制稱為感應電荷電泳，其具有響應速度快、方向可控性等優點，在微操作領域有著極大套用前景。
2016年，Esteban-Fernández de Ávila等設計了一種超聲驅動的奈米機器人，首先將攜帶有小幹擾RNA（Small Interfering RNA, siRNA）的DNA鏈透過滾環擴增技術纏繞在金奈米線（AuNW）上形成奈米機器人。主要研究了奈米機器人的運動、siRNA劑量對加速siRNA遞送和沈默反應的影響，在用超聲推進的siRNA-AuNWs處理幾分鐘後，沈默率達到94%，證明了基於奈米機器人的基因沈默方法的能力，為未來基因領域的微操作提供理論支持與實作手段。
2021年，Cholakova等受到生物界微生物利用彈性在低雷諾數環境下打破運動的時間翻轉對稱性策略的啟發，設計一種能夠自組裝驅動的微米機器人。該機器人主要由烷烴液滴配合表面活性劑制備而成，由溫度變化引起的表面相變進行驅動。當溫度升高時，機器人則會收縮尾巴進行充電蓄力；當溫度下降時，機器人則會快速噴射出尾巴，依靠時間的不對稱性實作機器人的凈運動。這種溫度場控制的自組裝微米機器人為微納機器人的驅動控制提供了新的探索方向。
3）生物驅動及生物雜交驅動
生物界中存在著諸多的微觀生物能夠自主運動，如雜交脂質體、精子、藻類微生物及趨磁細菌等。透過將這些微生物結合現在的制造技術，能夠制備出擁有特定功能的微型機器人，具有生物相容性好、驅動效率較高及易於實作特定功能等諸多優點。
2020年，Buss等設計了一種將鞭毛大腸桿菌與紅血球混成制成的奈米脂質體機器人。主要透過將基因工程驅動的大腸桿菌MG1655基質和由紅血球膜制成的奈米紅血球體組合而成。奈米紅血球體透過生物素-鏈黴親和素-生物素交互作用在細菌膜上進行功能化。奈米紅血球膜透過用生物素分子對TER-119抗體進行功能化而被生物素化，而大腸桿菌MG1655被生物工程化以在其膜上表達生物素附著肽，且生物素分子直接結合在其膜表面。制備的機器人的尺寸為5~7 μm，在二維平面上有著較高的移動速率，最高可達20 μm/s。該研究還分析了人體中存在的天然的生物激勵器，透過混成等手段組成主動式貨物輸送系統，有望在難以到達的身體部位徹底改變各種醫療操作，包括藥物輸送和癌癥治療。
2020年，Xu等為了克服以往微電機表現出的低推動力，以及難以在高流量和具有復雜成分的血液中流動等問題，研發設計了一種混合精子微電機，主要由精子帽（直徑約為5 μm）和精子組合而成。該機器人在血液中的遊動速度為59~93 μm/s，它可以主動對抗流動的血液（連續和脈動），並執行肝素貨物輸送的功能。在該種經過生物雜交形成的系統中，精子鞭毛主要負責提供較高的推進力，組合而成的微觀結構用於磁性引導和貨物運輸。同時，單個精子馬達可以在磁化後組裝成火車狀載體，允許將多個精子或醫療貨物運輸到感興趣的區域，作為潛在的抗凝血劑治療迴圈系統中的血栓或其他疾病。
2020年，Akolpoglu等為了克服醫用生物混合微納機器人產量低而無法大規模使用的問題，該設計研發出一種生物雜交策略，即在運動的微生物周圍非共價組裝一層薄而柔軟的均勻塗層。該設計使用萊茵衣藻（一種單細胞綠藻）作為生物模型微生物，以聚合物-奈米顆粒基質為合成成分，生產效率高達90%。天然生物聚合物殼聚糖用作黏合劑，用奈米顆粒有效地覆蓋微藻的細胞壁。柔軟的表面塗層不會損害藻類微生物的生存能力和趨光能力，並允許進一步的工程來容納生物醫學貨物分子。此外，透過可光切割的連線體將包埋在薄塗層中的奈米顆粒與化療藥物阿黴素偶聯，將藥物按需遞送到目標腫瘤細胞處，最大的遊動速度可達109 μm/s。這種大批次生產混合生物微納機器人的策略可以為新一代微型機器人群的未來醫療主動貨物交付任務提供借鑒。
2022年，Xiao等研究開發了一種將化石相容性細菌與奈米顆粒進行生物混成得到的細菌驅動奈米機器人Bif@DOX-NPs。該機器人使用的是厭氧嬰兒雙歧桿菌（Bif）作為驅動源，從而將阿黴素（Doxorubicin, DOX）負載的牛血清白蛋白奈米顆粒輸送到乳腺腫瘤中。該機器人保留了嬰兒雙歧桿菌對缺氧區域的靶向能力及DOX的細胞毒性。生物雜交體能夠主動定植於缺氧腫瘤，並顯著增加腫瘤部位的藥物積累。透過該機器人傳遞至腫瘤部位的DOX濃度是遊離狀態的4倍，顯著將帶腫瘤小鼠的中位生存期延長至69 d，並減少DOX的毒性副作用。因此，基於厭氧細菌的生物雜交體是一種非常有前途的工具，可用於靶向治療缺氧區域難以接近的實體瘤等。
2022年，Akolpoglu等設計了一種細菌生物雜交體，由攜帶微/奈米材料的自推進細菌組成，可以在磁性控制下將藥物輸送到特定區域。該機器人在推進、有效載荷效率、組織穿透和時空操作方面表現優良，能夠實作三維生物基質中的靶向定位和多刺激響應藥物釋放。將負載光熱劑、化療分子的磁性奈米顆粒及奈米脂質體以約90%的效率整合到大腸桿菌上，能夠在磁場下穿過生物基質並定殖腫瘤球體，透過近紅外刺激按需釋放藥物分子，為不同的醫療套用提供刺激響應療法。
綜上所述，目前主流的微納機器人的驅動策略均已得到較為廣泛的研究與套用。①化學驅動主要憑借化學反應生成氫氣、氧氣等氣泡推動機器人的運動。一種是機器人自身與環境燃料反應，雖然機器人的響應速度快，但是壽命短；另一種是作為催化劑，催化燃料產生氧化或者還原反應，能夠極大地增強機器人的使用壽命。然而，化學反應的燃料不可避免地會對人體產生有害影響，具有較低的生物相容性，且控制精度較低、方向性較差。②物理場驅動具有無線操控、使用壽命長及控制精度高等諸多優點。磁場驅動生物相容性高、體內穿透性強，可以實作對磁性機器人的高精度三維控制且不會對人體造成傷害，但是工作空間大小受限於磁場強度。光場驅動響應快、驅動速度高，但是其缺點也很明顯，例如無法穿透人體實作機器人的控制。超聲控制能夠穿透人體且生物相容性強，但控制精度較低。電場驅動控制方向性好、精度高，但其控制速率較低，實際套用性較差。③生物驅動主要是利用生物界中的微生物自驅動或者是微生物雜交驅動。相較於其他的驅動方式，該驅動的生物相容性更好，但是控制精度較低。因此，每一種驅動方式都有各自的優缺點，基於實際套用場景的需求選擇合適的驅動方式，可以達到事半功倍的效果。
2.2 磁驅控制系統
由於磁性微納機器人非高度整合化的機械結構，使其只有執行機構，為此需要專用的磁驅系統作為外部驅動裝置。磁驅系統主要分為兩大類：一類為基於永磁體驅動的系統，主要是透過永磁體產生的梯度場的拖動，外加外部機械手臂的協同作用實作；另一類為電磁鐵驅動，該方式較為有效，可以依據演算法計算出所需電流的大小，透過電磁鐵生成所需的旋轉磁場或梯度場，這樣不僅可以控制機器人的移動，還可以控制其旋轉。相較於電磁鐵驅動，永磁體驅動的優勢在於沒有較大的電流，不存在電流熱效應，驅動系統具有較長的工作時間，但是其控制方式較為簡單。
永磁體驅動系統還可以分為單一永磁體和多永磁體。該驅動系統由驅動電機、機械手臂及永磁體組成。永磁體生成特定方向的、固定場強的梯度場，機械手臂由驅動電機驅動移動改變永磁體的方向，從而改變磁場的方向。該裝置產生的磁場梯度為3 T/m。
永磁體的磁場產生裝置共有8個永磁體，位於正方體的定點。每個永磁體配有一個電機和一個機械臂，機械臂用於調整永磁體的位姿，電機則透過旋轉永磁體生成旋轉磁場，生成的平均磁場強度為25 mT，旋轉速度為2 rad/s。
電磁鐵驅動系統可以分為成對線圈驅動系統和分布式電磁鐵驅動系統。成對線圈亥姆霍茲線圈驅動系統，通常向3對線圈中通入正弦電流，便可以得到可控的旋轉磁場，頻率為2~3 kHz；但是其生成的磁場強度較弱，僅有10~25 mT/m。
2015年，Diller等設計了一種具有六自由度的分布式電磁鐵驅動系統。該系統主要由8個電磁鐵線圈組成，在每個線圈中加入了鐵氧體，從而能夠極大地增強磁場強度。雖然這會導致生成的磁場不均勻，但是假設每個電磁鐵均在限行工作範圍內，還能夠將多個電磁鐵的作用線性疊加。該系統的最大工作頻率可達2 kHz，工作空間中心區域最大磁場強度為20 mT。
綜上所述，單一永磁體驅動系統有著較大的磁場強度，但是無法生成較好的旋轉磁場；多永磁體驅動系統能夠生成旋轉磁場，但是頻率受限於驅動電機，無法生成較高頻率的旋轉磁場並且無法生成梯度場。成對線圈驅動能夠生成很均勻的旋轉磁場，但是磁場強度較弱且不能生成梯度場；分布式電磁鐵驅動系統能夠生成較強的磁場，梯度場與旋轉場共存且能量轉換效率高，但是工作空間小、發熱量大，無法實作長時間工作且三維運動控制達不到理想的效果。然而，考慮機器人套用場景的復雜性，分布式電磁鐵驅動系統仍是磁性微納機器人的首選驅控系統。
3.發展趨勢
3.1 微納操作機器人的發展趨勢
對於微納操作機器人，其系統的構築比工業機器人的設計更為復雜，涉及的研究領域也更為廣泛。隨著微電子技術、生物技術的發展，微裝配和微操作技術的重要性日益顯現。過去10年內，微裝配和微操作技術得到了長足的發展，但目前對有關理論和套用的研究還遠遠不夠，在機器人運動學即時標定與測量、顯微視覺伺服控制、控制理論方法、新材料、驅動等方面仍存在諸多問題尚未得到完全解決。未來的發展方向應當是融合微電子、材料、精密機械、精密測量、自動控制、機器人、電腦等多學科技術來解決微觀領域的問題。基於視覺伺服的微納操作機器人控制將是微納操作機器人研究新課題，旨在最終實作微納操作機器人的可靠自主操作目標，同時具備操作簡單、精度高、控制方便、工作可靠、生產成本低等優勢。
由於面對的操作物件不同，研制的微納操作機器人系統不可能完成所有的顯微操作。部份操作可能更適合於采用電學、化學，甚至手工方法完成。微納操作機器人系統的各單元應剛性連線。為了減少積累誤差，增強系統抗振能力，減少標定測量次數，系統各單元應以顯微鏡視野為分布中心剛性地連線一起。顯微鏡的視野是一定的。為了充分利用有限的空間，避免機器人在工作空間邊界附近出現可操作性、靈活性差的情況，左右微操作手的工作空間應該比顯微鏡的視野範圍大。在系統安裝偵錯時，機器人及相關周邊裝置應以視野中心分布，保證操作工具的端部與視野中心重合，並在視野內運動操作。對於微納操作機器人，其多在以分子自組裝為代表的「自下而上」、微制造為代表的「自上而下」制造方法的作業極限空間外開展一系列基礎和套用研究，並可有效結合這兩種制造方法，為未來微納制造提供新的理論、方法和技術。
3.2 微納遊動機器人的發展趨勢
微納遊動機器人由於自身尺度優勢，可以輕松進入狹小地方作業，如生物體內的腔道（胃腸道、尿道、支氣管等）或血管內，在體內靶向藥物輸送和監測上具有非常大的套用潛力，未來有望成為精準醫療的主力。靶向藥物輸送可以把藥物集中在病竈部位，有效地避免藥物對身體其他部位的副作用，同時醫生能夠精確控制藥物的作用位置與劑量。微納遊動機器人在靶向治療的套用上，仍面臨著許多挑戰。例如，微小型機器人材料的化石相容性、可降解性問題；微納遊動機器人的體內影像追蹤問題，微小型機器人的精準控制問題。在靶向治療的套用中，最主要仍是微納遊動機器人個體存在能力有限、執行效率低的問題，使得單個微納遊動機器人無法實作藥物大劑量的靶向輸送，不具備殺死病竈附近病毒或細菌的能力，距離最終實作疾病治療的目標相去甚遠。與自然界中存在的群體行為類似，微納遊動機器人的群體不僅可以保持個體的靈活性，還會湧現出一系列新特性並賦予微納遊動機器人更加強大的功能，如更大的帶載能力、更靈活的形態變化、更高的執行效率等。這些能力的提升使得微納遊動機器人可以在復雜環境中完成更加艱巨的任務，這是解決以上問題的關鍵所在。目前，要實作微納遊動機器人群體的不同模式湧現、轉換和運動控制，仍然具有很大的挑戰性，需要借助創新的物理原理和群體響應機制。微納遊動機器人的集體行為源自個體之間的基本互動作用和可調節的互動作用提供了不同環境下群體形成、導航和模式轉換的機制。由於微納遊動機器人外部驅動方式的不同，機器人個體之間的互動作用也不同，因而將會湧現不同的集群行為。
4.發展建議
伴隨著微納加工手段的逐步發展，新興材料的批次生產推動了MEMS的飛速發展，微電子系統已經逐步發展到納電子系統。由於這些納電子系統的體積不斷縮小、精度不斷提高，進而接近傳統加工物理極限，所以要運用新的組裝方法與新興材料去突破這一瓶頸。奈米技術是在0.1~100.0 nm尺度內研究微粒的運動規律和特性的技術，這一重要的科學技術推動了21世紀人類社會節能降耗、綠色環保、健康生活方式等的發展；同時也推動超高精度奈米傳感器、奈米無線電通訊、奈米晶體管及奈米馬達等奈米器件的發展。隨著奈米科技、微納電子系統及微奈米作業系統的逐步發展，這些技術從傳統的組裝業向各個領域不斷滲透，這使奈米尺寸的傳感器件的研制成為可能。近年來，奈米尺寸的傳感器逐漸成為微納電子器件研究的熱點之一，引起了許多國家的重視，在大量科研基金和科研工作者的推動下得以快速發展。
微納機器人科學與技術現今存在以下重大技術挑戰。
（1）基於智慧材料的高功率自重比的高效能驅動原理與實作方法，基於外部物理場的能量傳輸與高效轉換機制，基於人體運動、血流運動的生物能轉化機制與微奈米發電機的實作等。
（2）面向生物體內狹小空間作業的移動、檢測與操作送藥等微奈米結構新原理、最佳化設計、生物相容制造理論與方法等。
（3）奈米操作機器人自主控制原理、多機器人高速協調控制機制，以及三維奈米器件制造新原理、新方法。
（4）DNA、染色體、細胞等生物樣本的機械特性、物理特性、化學特性的高通量高速檢測。
（5）微納機器人介入類生理環境感知、自我狀態感知與資訊傳送機制，微納機器人對微納制造及生物監測中環境感知、多資訊融合及資訊傳送機制。
（6）類生理小尺度空間內微納機器人與生物細胞的相容性及交互作用，微納機器人操作下細胞行為學規律，微納機器人對細胞的篩選及定點輸運。
面向微納機器人的重要套用前景與巨大挑戰，建議在學科交叉融合、復合型人才培養、國產關鍵裝備及政策扶持套用方面開展頂層設計。在學科交叉融合方面，微納機器人技術是工程材料、資訊科學、物理、化學、生物及醫學等學科相互交叉的一門科學與技術。各個學科對同一個研究內容有著不同定義及內涵。例如，在工程材料與資訊學科命名的微納尺度機器人在化學學科命名為膠體馬達，在生物及醫學學科命名為靶向藥物等；基於探針顯微鏡和電子顯微鏡的微納操作機器人系統，在物理學科基本理解為簡單的科學儀器。另外，由於各學科的壁壘，亟待建立跨學科平等交流平台，互動各個學科對於微納機器人技術的需求，帶動微納機器人技術的發展。一方面，微納機器人科學與技術十分依賴物理學與化學在微小尺度上驅動、感知新原理上的突破；另一方面，也亟待在生物醫學上開啟套用的突破口。透過兩方面的推動開展新系統開發以及新的控制方法研究。因此，開展頂層設計，建立一個能夠平等開放的學科交流交叉機制尤為重要。
在關鍵儀器與裝備研發方面，微納機器人面向微尺度環境，觀測儀器主要為各種探針顯微鏡與電子顯微鏡。微納遊動機器人的成像系統基於超聲及電腦斷層攝影術（Computed Tomography, CT）等關鍵科學儀器，以及相關化學試劑與生物制劑等。因此，也亟待重視、加強國產關鍵儀器與裝備的研發。
在人才培養方面，針對微納機器人技術的跨學科特性，現有的本碩博培養方案難以直接培養出與之相匹配的復合型人才。以博士生培養為例，高校並不具備執行跨學科交叉的博士生研究題目的條件。當前的教學體系主要基於經典科學與技術構建，而微納機器人科學與技術則要求深入探索小尺度物理特性，掌握微小結構的多種加工與合成方法，並理解人體生命環境、細胞培養、醫學治療等復雜領域。這些跨學科知識在現有課程體系中往往難以全面覆蓋，導致難以批次培養出具備綜合能力的復合型人才。鑒於此，建立新的、獲得國家認可的人才培養機制變得尤為迫切，需要進一步透過最佳化課程體系、增強實踐教學、搭建跨學科研究平台等方式，為學生提供更加全面、深入的學習與研究環境，從而有效培養出一批適應微納機器人技術發展的人才。
5.結束語
微納機器人作為微納技術的集大成者具有巨大的發展潛力。微納機器人為未來三維人體組織的控制制造、人體器官的制造，以及真正進入人體血管、組織內部探索和靶向治療提供了理論依據。從近5年微納機器人頂級學術期刊發表論文數量來看，當前中國已處於全球微納機器人研究的第一梯隊，已在用於細胞操作的微納操作機器人、磁控微納遊動機器人等方面取得了一定成果，為新藥研制、介入人體血管及消化道開展健康檢查和藥物顆粒釋放的靶向治療等一系列套用奠定了基礎，並提供了技術支撐。未來，透過電腦視覺、新型磁控材料與對微小型磁性物體影像追蹤裝置等的研發，並在此基礎上進一步發展視覺化微納操作技術與磁控微納遊動機器人生物體內靶向給藥技術，能夠解決微納操作即時性與效率低，以及微納遊動機器人體內影像追蹤的問題，實作微納操作的即時控制與微納遊動機器人的無創治療，推動中國微納機器人科學與技術的研究居於世界領先地位。
