香港中文大學 ACS Nano綜述：外部動力驅動的微納機器人集群：從基礎理解到成像引導遞送

【背景介紹】

微納機器人作為新興的研究領域，具有極大的應用前景，在近年來備受關注。這種小型機械能夠通過外加場（磁場、聲場、電場等）驅動、自推進和混合推進等方式在各種復雜環境中進行可控運動并且執行復雜的任務。近年來，研究人員在微納機器人的制造、驅動和功能化等方面取得了驚人的成就，制備出了各種各樣的多功能微納機器人。這些小至微米或納米尺度的機器人具有靶向藥物遞送、生物傳感等多種生物醫學應用的潛力。然而，微納機器人的實際應用仍然面臨挑戰：微小的尺寸使體內成像技術難以提供較高的分辨率和對比度，對這些微納米機器人的實時成像和定位提出了挑戰。針對這些問題，研究者們從自然界的生物集群現象中獲取靈感，進行了大量關于微納機器人集群的研究。研究成果表明，相對于單個的微納機器人而言，由成千上萬個個體組成的微納機器人集群可以增強其在復雜環境中的運動能力和適應性，并且增強醫學成像的對比度，從而有利于成像引導和遞送。

【成果簡介】

近日，香港中文大學張立教授（通訊作者）與王乾乾博士（第一作者）報道了一篇關于外部動力驅動的微納機器人集群行為最新研究成果的綜述。在本文中，作者總結了近些年來國內外研究團隊在微納機器人集領域的研究成果，包括微納機器人集群形成、引導和形態轉換過程的基本理解，為實現微納機器人的體內應用提供指導。同時，作者還總結了利用不同成像技術對微納機器人集群進行定位的研究，包括在復雜的生物環境中的成像以及運動控制。本文介紹對集群控制過程中的基本相互作用以及集群定位和成像引導下的靶向遞送進行了系統地介紹。可以預見，微納機器人集群會是未來生物醫療應用中極具前景的主動且受控的藥物遞送工具。研究成果以題為“External Power-Driven Microrobotic Swarm: From Fundamental Understanding to Imaging-Guided Delivery”發布在國際著名期刊ACS Nano上。

【圖文解讀】

圖一、微納機器人集群在成像引導下進行遞送任務的特點與關鍵步驟示意圖

圖二、磁場驅動的微納機器人集群
（a）旋轉磁場驅動的地毯式磁性膠體微納機器人集群；

（b）動態磁場驅動的微納機器人集群的形成與引導；

（c）受振蕩磁場驅動的由導電粒子組成的仿蟻橋集群；

（d）（i）由納米粒子鏈之間流體相互作用形成的漩渦狀納米粒子集群，（ii）在半圓形微通道中運動；

（e）螺旋型微機器人在氣-液界面形成的圓形圖案；

（f）（i）在交變磁場下在液-液界面上由形成的星狀集群，（ii）通過添加平面內靜態場來驅動集群；

（g）在玻璃體液內驅動的螺旋形微機器人；

（h）提供表面涂層選擇性控制兩組螺旋型微機器人；

（i）磁棒集群在PDMS通道中向血塊部位移動。

圖三、光驅動的微納機器人集群
（a）（i）90 s紫外線照射前后，去離子水中的AgCl顆粒，（ii）以及AgCl顆粒和SiO₂微球之間在紫外線照射下類似捕食者-獵物的集群行為；

（b）Janus粒子在激光下的自主裝；

（c）SiO₂/TiO₂ Janus粒子在水中的可逆集群行為；

（d）聚苯乙烯微粒形成的集群；

（e）TiO₂粒子集群在脈沖紫外線照射下沿預定軌跡運動；

（f）TiO₂/Pt Janus粒子集群在近紅外光照射下的形成和引導；

（g）具有領導者-跟隨者結構的光驅動微納機器人集群。

圖四、聲場或電場驅動的微納機器人集群與集體行為
（a）一組Au-Ru微納米棒在聲場節點平面上的可逆聚集和擴散行為；

（b）由聲場驅動的Au-Pt納米線的擴散和聚集行為，通過聲場開關能實現Au-Pt納米線的可逆聚集，通過調節聲場頻率實現集群的運動；

（c）聲驅動的EGaIn納米棒集群的形成和運動；

（d）帶有不平衡偏心電荷的Janus膠體球的集體行為；

（e）在交流電場下由不對稱二聚體形成的手性膠體結構；

（f）交流電場產生的EHD作用下的粒子集群；

（g）滾動顆粒從各向同性氣體向傳播帶和均相極性液體的集體運動。

圖五、混合場驅動的微納機器人的形成與運動
（a）微型金屬棒在磁場和聲場共同作用下的集群行為；

（b）團聚的磁性顆粒在聲場作用下沿壁面遷移；

（c）TiO₂/Au和Au/TiO₂ Janus微粒在聲場下的光控集群行為；

（d）赤鐵礦立方體包裹的聚合物微粒集群在藍光和混合光/磁場驅動下的形成與運動；

（e）金屬納米棒在聲場和磁場的引導下的自主裝與運動；

（f）磁性花生狀微粒在藍光照射下的集體行為。

圖六、微群的主動與被動形態變換
（a）納米粒子旋渦狀集群在不同磁場旋轉頻率下的合并與分裂；

（b）條形納米粒子集群的可逆伸縮與運動；

（c）花生型磁性粒子集群在不同磁場下的四種形態及其互相轉變；

（d）鐵磁性顆粒組成的二維集群；

（e）TiO₂微粒集群在狹窄通道中的被動伸長。

圖七、超聲成像下的集群定位和引導
（a）在靜態磁場和旋轉磁場下對磁性納米粒子鏈進行超聲成像，并沿預定路徑引導微群；

（b）納米粒子在豬膀胱表面上的可逆分散和聚集；

（c）旋渦型微群在離體牛眼球中的形成和引導；

（d）條形微群在全血中溶栓時的可調節的運動模式與形態轉換，以及基于超聲成像的定位；

（e）磁性發絲機器人在雞離體組織中的超聲多普勒成像；

（f）在仿生模型中用B模式成像、普通MMUS和反向MMUS觀察納米顆粒區域。

圖八、成像引導主動遞送微納機器人集群
（a）螺旋型微機器人在OCT引導下在眼球中運動；

（b）在縱向腫瘤切片中，不同深度處的MC-1 Texas Red熒光微球和FITC熒光微球；

（c）小鼠腹腔內螺旋形微機器人集群的熒光成像引導；

（d）生物混合型微機器人在小鼠的皮下組織中基于體內熒光成像的聚集和運動；

（e）使用正電子發射斷層掃描（PET）追蹤微機器人集群；

（f）大鼠胃內的螺旋形微機器人集群的磁共振成像（MRI）；

（g）螺旋形微機器人集群在小鼠皮下組織中的光聲（PA）成像引導運動。

【結論展望】

綜上所述，微納機器人集群及其靶向遞送應用在過去十年里取得了極大的進展。在本文中，作者總結了微納機器人集群的形成、引導、定位及其在成像引導靶向遞送中的應用。雖然在體內可控給藥方面已經進行了大量的研究工作，但是當前的研究仍存在許多局限性，在控制微納機器人集群以實現靶向給藥任務方面還需要進一步的研究。在這方面，作者認為還存在的挑戰如下：

（1）微納機器人集群的體內運動控制：三維（3D）運動、遠程遞送以及環境適應性；

（2）微納機器人集群、控制單元和成像系統的結合；

（3）微納機器人集群的臨床應用。

目前，關于微納機器人集群醫學成像以及體內應用的研究還很有限，醫學成像系統也尚未被廣泛應用于靶向治療中，基于醫學成像的微納機器人集群控制側重于集群的定位和引導。將微納機器人集群的成像引導控制與靶向治療/遞送相結合將會是未來研究的熱點。

文獻鏈接：External Power-Driven Microrobotic Swarm: From Fundamental Understanding? ?to Imaging-Guided Delivery. ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c07753.

?團隊介紹

張立，2012年加入香港中文大學機械與自動化工程學系，并于2017年獲得終身教職，現為周毓浩創新醫學技術中心成員，同時兼任中國科學院深圳先進技術研究院一香港中文大學機器人與智能系統聯合實驗室港方主任。2007年獲瑞士巴塞爾大學博士學位；隨后在瑞士蘇黎世聯邦理工學院機械與加工工程系先后從事博士后研究、擔任高級研究員和講師。目前還兼任IEEE Transactions on Robotics (T-RO), IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (T-MECH)，IEEE Transactions on Automation Science and Engineering (T-ASE)以及IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L)等多個IEEE專業期刊的編委。

主要研究領域包括微納機器人學及其生物醫學應用，微納機器人集群，功能材料用于驅動、傳感和醫療機器人的應用等。在Science Robotics，Since Advances，Nature Communications, IEEE Transactions on Robotics, The International Journal of Robotics Research, Soft Robotics等國際著名刊物上發SCI學術論文200余篇。其中，研發的微型仿生機器人于2012年被吉尼斯世界紀錄收錄為“最微小的醫用微型機器人”，同時也在多個IEEE國際會議上獲最佳會議論文獎或最佳會議學生論文獎，包括ICRA、IROS、CASE和NANOMED。曾獲2013年香港研究資助局杰出青年學者獎，電氣和電子工程師協會納米技術理事會（IEEE NTC）杰出講師，香港中文大學青年學者研究成就獎，香港聯合書院杰出青年學者研究獎等榮譽。

?團隊在該領域工作匯總

張立教授團隊的研究工作主要集中在微納機器人及其相關領域，致力于在小尺度上將微/納米技術、功能材料與和機器人技術相結合。團隊的主要研究目標是微納機器人及其集群的制備、控制以及實際的生物醫學應用，構建用于具有環境適應能力的多功能智能微納機器人系統。近年來，該團隊在微納機器人領域取得了令人矚目的研究成果，包括：

1. 研發了基于熒光磁性孢子微機器人（fluorescent magnetic spore-based microrobots，FMSM）的高效動態傳感平臺，檢測患者糞便中存在的難辨梭菌（Clostridium difficile，C. diff）所分泌的毒素。通過在多孔天然孢子上直接進行磁性納米粒子沉積以及傳感探針包覆，可以快速且廉價地合成這種微機器人（Science Advances, 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aau9650）。

2. 利用程序控制的振蕩磁場在二維平面上形成微納機器人集群，即一種具有動態平衡結構的可重構條狀順磁性納米粒子微群（reconfigurable ribbon-like paramagnetic nanoparticle swarm，RPNS）。研究了微群的產生機理，展示了微群超高長寬比的可逆伸縮，同時也展示了微群的其他可逆重構行為(Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05749-6)。改微群系統可以用于模仿蟻橋的結構和功能，能夠為電子搭建一條跨越阻隔的導電通路。其中具有分層結構的 Fe3O4@PDA@Au 納米粒子被用作微群的基本構件模塊。微群中納米粒子的設計及其間的相互作用使它能被用作微開關、修復破損的微電路、構成具有特殊優點的柔性電路，展現出了在電子領域的廣泛應用前景（ACS Nano, 2019，DOI：10.1021/acsnano.9b02139）。

3. 研究了旋轉型微集群在超聲成像下的成像特點、定位以及自動化路徑引導。不同于單個的微機器人，微集群在超聲圖像中顯示出動態的對比度以及基礎單元聚集引發的高信噪比，這有利于在復雜環境中對磁性微集群進行實時定位和引導。方法的有效性在體外實驗（ex vivo）中得到了進一步的驗證 （IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2020，DOI：10.1109/TBME.2020.2987045）。

相關優質文獻推薦

1. 張立，俞江帆，楊立冬. 微納機器人：從個體到集群[M]. 科學出版社, 2020.

2. Zhang Y, Zhang L, Yang L, et al. Real-time tracking of fluorescent magnetic spore–based microrobots for remote detection of C. diff toxins[J]. Science Advances, 2019, 5(1): eaau9650.

3. Yu J, Jin D, Chan K F, et al. Active generation and magnetic actuation of microrobotic swarms in bio-fluids[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 1-12.

4. Wang Q, Yang L, Yu J, et al. Real-time magnetic navigation of a rotating colloidal microswarm under ultrasound guidance[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2020, 67(12): 3403-3412.

5. Jin D, Yu J, Yuan K, et al. Mimicking the structure and function of ant bridges in a reconfigurable microswarm for electronic applications[J]. ACS Nano, 2019, 13(5): 5999-6007.

6. Yang L, Yu J, Zhang L. Statistics-based automated control for a swarm of paramagnetic nanoparticles in 2-D space[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2019, 36(1): 254-270.

7. Yu J, Wang B, Du X, et al. Ultra-extensible ribbon-like magnetic microswarm[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 1-9.

8. Yan X, Zhou Q, Vincent M, et al. Multifunctional biohybrid magnetite microrobots for imaging-guided therapy[J]. Science Robotics, 2017, 2(12).

9. Wang B, Chan K F, Yu J, et al. Reconfigurable swarms of ferromagnetic colloids for enhanced local hyperthermia[J]. Advanced Functional Materials, 2018, 28(25): 1705701.
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