华南理工大学喻婷婷AISY综述：用于生物医学和环境修复应用的多模块微/纳米机器人

Wiley

2025-07-09

研究背景

微纳米机器人（MNRs）是无需系绳的可执行多重任务的微小自主机器。这些尺寸仅微米至纳米级的微机器人，能够突破传统器械的尺寸限制，在人体血管、组织间隙或复杂污染环境中执行精准操作。早期的单模块微纳机器人功能单一，仅能完成简单运动或单一任务，难以应对动态环境中的多重挑战。近年来，多模块集成设计成为突破瓶颈的关键。通过融合驱动、传感、执行等模块，微纳机器人不仅实现了“运动-成像-执行”的全链条功能，更在生物医学靶向治疗、环境污染物清除等领域展现出变革性潜力。

成果速递

华南理工大学吴贤铭智能工程学院喻婷婷团队系统综述了多模块微纳机器人的功能模块，面临挑战与应用场景，提出“应用驱动并且面向实际需求”（Application-driven design for operational needs）的模块设计理念，即在微纳机器人的设计中，模块的设计须与应用需求对齐，确保功能、集成度和可行性之间的最佳权衡，为下一代智能微纳机器人的设计开发绘制了技术路线图。

图文解析

图 1. 用于癌症治疗的靶向药物递送。a. 基于眼虫的光控软生物微纳机器人。超声驱动、磁性可切换的基于红细胞的微纳机器人。b. 用于抗癌药物递送的可生。b. 用于抗癌药物递送的可生物降解的牛血清白蛋白/聚-L-赖氨酸（PLL/BSA）多层微纳机器人。c. 由生理浓度下尿素的生物催化分解驱动的活性混合微纳机器人。d. 结合医学成像技术，在原位膀胱癌小鼠模型中追踪微纳机器人。e. 用于微纳机器人的磁泡推进系统。

图1展示了多种用于癌症治疗的精确靶向药物递送微纳机器人。其中，基于眼虫的光控软生物机器人、超声/磁性驱动的红细胞机器人以及可生物降解的PLL/BSA多层机器人，分别通过光、声场或磁场实现精准驱动与药物释放；同时结合医学成像技术（如小鼠模型追踪系统），实现了“运动-成像-执行”多功能集成，显著提升微纳机器人治疗癌症的靶向性和可控性。

图 2. 诊断技术。a. 回音壁模式微纳机器人可以通过耦合强光-物质相互作用来分析细胞外生物标志物，从而实现癌症诊断，并能自我推进。b. 微纳机器人类似火柴的银纳米线@二氧化硅核壳结构作为基于壳层隔离的表面增强拉曼散射（SERS）探针，用于增强拉曼机制。c. 一个集成了基于手机的光学传感、环介导等温 DNA 扩增和微纳机器人运动的平台，用于 HIV-1 的分子检测。

图2聚焦于集成诊断技术的微纳机器人应用。例如，回音壁模式机器人利用光-物质相互作用作为执行器，检测癌症标志物的相对丰度，银纳米线@二氧化硅核壳结构作为SERS探针执行器，可以增强拉曼检测灵敏度，而手机光学传感与微纳机器人运动的结合平台，则实现了HIV-1的高效分子检测，降低此类疾病的诊断成本，凸显了微纳机器人在即时检测与便携化中的潜力。

图 3. 水中污染物去除。 a. 用于降解聚合物的自驱动光驱动磁场可导航赤铁矿/金属 Janus 微纳机器人。b. 一种基于海绵的降解平台，该海绵负载 CFO 微纳机器人，用于捕获污染物并通过催化微纳机器人原位降解此类污染物。c. 由皮升级尺寸水凝胶液滴制成的磁性水凝胶微纳机器人，该液滴涂有多功能磁性纳米颗粒。d. 一种用于直接去除/检测过量铜的磁性介孔二氧化硅/硫化锌锰/金/四亚乙基五胺/肝素（MMS/ZM/Au/T/Hep）微纳机器人。

图3展示了微纳机器人在环境修复中的应用。光驱动磁场导航的赤铁矿/金属Janus机器人可降解聚合物污染物，海绵负载的CFO机器人利用催化作用作为执行器，可以原位分解污染物，磁性水凝胶机器人则利用多功能纳米涂层吸附污染物，体现了模块化设计在污染物捕获、降解与去除中的多样化解决方案。

图 4. 未来微纳机器人技术的关键挑战。

挑战与未来

作者们总结了微纳机器人(MNR)技术面临的挑战和未来的发展方向。在生物医学领域，体内成像难题亟待解决，现有成像方法难以在实时分辨率、非侵入性和安全性上达到平衡。而将微纳机器人技术首先应用于康复医学，能以低风险干预手段为可行性验证。在环境修复方面，微纳机器人的微观尺度与环境清理大规模需求及高成本矛盾突出，虽有策略显现希望，但多停留在实验阶段。未来，微纳机器人技术需与现有废水处理系统结合，助力传统方法升级并推动广泛应用。开发中应优先模块化设计，注重功能与实用，避免过度追求复杂性。

此外，功能化和智能化是微纳机器人发展的双重趋势。开发智能微纳机器人，集成计算人工智能，以实现自主导航、决策和认知处理，代表了未来发展的关键方向。为微纳机器人赋予认知能力可以减少对人为干预的依赖，提高运行效率，并扩大可及性。实现这一目标需要跨学科合作，以推进微尺度物理学、激光蚀刻和自组装等制造技术，以及微电路和无线通信技术的发展。最终目标是实现闭环控制、自主适应和智能任务执行，将微纳驱动器通过集成转变为能够应对复杂现实世界应用的具有适应及执行性的自主机器人。

期刊简介

Wiley旗下智能系统领域开放获取旗舰刊。期刊收录关于具有刺激或指令响应智能的人造装置系统的研究，包括机器人、自动化、人工智能、机器学习、人机交互、智能传感和程序化自组装等前沿应用。Advanced Intelligent Systems最新的期刊引文指标1.11，期刊影响因子6.8，在计算机科学，人工智能和自动化与控制系统中分类皆为Q1。(源自Clarivate 2023)