Nature Rev. Bioeng：微型机器人！

小奇

2026-03-17

研究背景

微型机器人是一种可编程的微型设备，能在受限环境中执行特定任务。其可编程性源自对外界刺激（如磁场、声波或光照）的工程化响应，或依靠自身结构特性与环境进行特定交互。这些特性使微型机器人在精准医疗、环境治理等多个领域展现出应用潜力。目前，研究人员正积极探索其在靶向给药、显微手术、清除生物被膜及体内诊断等场景的应用。由于其体积微小，可抵达人体其他器械无法触及的部位；而可编程特性又赋予其精准执行时空特异性任务的能力。然而，人体生理环境复杂多变，给临床应用带来了诸多挑战。

针对上述挑战，来自香港中文大学的张立教授团队与香港城市大学的宋昕教授在“Nature Reviews Bioengineering”上发表题为“Biophysics-informed design of biohybrid microrobots”的论文，提出了一种基于生物物理学原理的设计框架，通过将生物物理机制与生物混合解决方案相联系，为生物混合微型机器人的研发提供指导。与功能驱动或材料驱动设计不同，该框架优先考虑与微尺度生物环境的物理兼容性，例如，通过匹配变形力学、克服流体阻力和利用自然进化的运动策略。

该框架从四个层面展开：首先系统梳理了人体内限制微型机器人完整性、运动能力、导航及功能实现的生物物理约束；继而探讨生物细胞、微生物及其衍生物如何通过生物物理机制应对这些挑战，并阐明如何利用这些机制提升微型机器人的性能；进一步从形变、驱动、导航和编程四个维度，阐述生物混合微型机器人如何将生物策略转化为工程解决方案；最后总结了当前体内应用面临的挑战，讨论了临床转化中的关键考量，并展望了未来发展方向。该框架为生物混合微型机器人提供了功能性定义，也为跨学科研究构建了共通的学术语言。

文章亮点

1. 生物混合微型机器人能够在复杂的体内环境中导航，克服生物流体动力学、空间限制、物理障碍以及生化或免疫屏障。

2. 受自然界生物启发，生物混合机器人的设计借鉴其进化而来的策略，如细胞变形、自主推进、趋向性及免疫相容性。

3. 生物混合微型机器人将生物特性与人工增强功能相结合，可实现药物递送、外部驱动和成像等功能。

4. 基于生物物理学的设计框架将生物物理原理与生物混合解决方案相衔接，为生物混合微型机器人的开发提供了指导。

图文解读

图1. 生物混合微型机器人设计的生物物理学框架

概述了微型机器人在人体内面临的主要生物物理挑战，包括空间限制、组织渗透和免疫清除，并研究了自然生物体如何进化以克服这些挑战，从而为生物混合微型机器人的设计提供信息。

图2. 微型机器人部署面临的生物物理挑战

鉴于体内环境的复杂性，针对特定应用功能设计的微型机器人可能会限制其固有性能的发挥。这些微型机器人在体内面临的生物物理挑战，如空间限制、机械应力、选择性屏障、组织渗透、生化攻击和免疫清除。

图3. 生物物理适应策略为生物混合微型机器人的设计提供了功能性蓝图

活细胞和微生物已经进化出了多种策略，包括生物变形、生物运动、生物导航和生物相容性，以克服在其原生环境中遇到的复杂生物物理挑战。

图4. 生物混合微型机器人在生物物理层面的设计维度

受生物系统的结构和功能特性启发，基于生物物理学的设计原则可以指导开发可控且面向特定任务的微型机器人。

图5. 生物混合微型机器人的体内应用编程

为了提高体内性能，对生物混合微型机器人进行编程，以调节它们与免疫系统的相互作用。

原文详情：
Quan, X., Sun, B., Song, X. et al. Biophysics-informed design of biohybrid microrobots. Nat Rev Bioeng (2026). 

https://doi.org/10.1038/s44222-026-00416-8