香港中文大学 ACS Nano综述：外部动力驱动的微纳机器人集群：从基础理解到成像引导递送

【背景介绍】

微纳机器人作为新兴的研究领域，具有极大的应用前景，在近年来备受关注。这种小型机械能够通过外加场（磁场、声场、电场等）驱动、自推进和混合推进等方式在各种复杂环境中进行可控运动并且执行复杂的任务。近年来，研究人员在微纳机器人的制造、驱动和功能化等方面取得了惊人的成就，制备出了各种各样的多功能微纳机器人。这些小至微米或纳米尺度的机器人具有靶向药物递送、生物传感等多种生物医学应用的潜力。然而，微纳机器人的实际应用仍然面临挑战：微小的尺寸使体内成像技术难以提供较高的分辨率和对比度，对这些微纳米机器人的实时成像和定位提出了挑战。针对这些问题，研究者们从自然界的生物集群现象中获取灵感，进行了大量关于微纳机器人集群的研究。研究成果表明，相对于单个的微纳机器人而言，由成千上万个个体组成的微纳机器人集群可以增强其在复杂环境中的运动能力和适应性，并且增强医学成像的对比度，从而有利于成像引导和递送。

【成果简介】

近日，香港中文大学张立教授（通讯作者）与王乾乾博士（第一作者）报道了一篇关于外部动力驱动的微纳机器人集群行为最新研究成果的综述。在本文中，作者总结了近些年来国内外研究团队在微纳机器人集领域的研究成果，包括微纳机器人集群形成、引导和形态转换过程的基本理解，为实现微纳机器人的体内应用提供指导。同时，作者还总结了利用不同成像技术对微纳机器人集群进行定位的研究，包括在复杂的生物环境中的成像以及运动控制。本文介绍对集群控制过程中的基本相互作用以及集群定位和成像引导下的靶向递送进行了系统地介绍。可以预见，微纳机器人集群会是未来生物医疗应用中极具前景的主动且受控的药物递送工具。研究成果以题为“External Power-Driven Microrobotic Swarm: From Fundamental Understanding to Imaging-Guided Delivery”发布在国际著名期刊ACS Nano上。

【图文解读】

图一、微纳机器人集群在成像引导下进行递送任务的特点与关键步骤示意图

图二、磁场驱动的微纳机器人集群
（a）旋转磁场驱动的地毯式磁性胶体微纳机器人集群；

（b）动态磁场驱动的微纳机器人集群的形成与引导；

（c）受振荡磁场驱动的由导电粒子组成的仿蚁桥集群；

（d）（i）由纳米粒子链之间流体相互作用形成的漩涡状纳米粒子集群，（ii）在半圆形微通道中运动；

（e）螺旋型微机器人在气-液界面形成的圆形图案；

（f）（i）在交变磁场下在液-液界面上由形成的星状集群，（ii）通过添加平面内静态场来驱动集群；

（g）在玻璃体液内驱动的螺旋形微机器人；

（h）提供表面涂层选择性控制两组螺旋型微机器人；

（i）磁棒集群在PDMS通道中向血块部位移动。

图三、光驱动的微纳机器人集群
（a）（i）90 s紫外线照射前后，去离子水中的AgCl颗粒，（ii）以及AgCl颗粒和SiO₂微球之间在紫外线照射下类似捕食者-猎物的集群行为；

（b）Janus粒子在激光下的自主装；

（c）SiO₂/TiO₂ Janus粒子在水中的可逆集群行为；

（d）聚苯乙烯微粒形成的集群；

（e）TiO₂粒子集群在脉冲紫外线照射下沿预定轨迹运动；

（f）TiO₂/Pt Janus粒子集群在近红外光照射下的形成和引导；

（g）具有领导者-跟随者结构的光驱动微纳机器人集群。

图四、声场或电场驱动的微纳机器人集群与集体行为
（a）一组Au-Ru微纳米棒在声场节点平面上的可逆聚集和扩散行为；

（b）由声场驱动的Au-Pt纳米线的扩散和聚集行为，通过声场开关能实现Au-Pt纳米线的可逆聚集，通过调节声场频率实现集群的运动；

（c）声驱动的EGaIn纳米棒集群的形成和运动；

（d）带有不平衡偏心电荷的Janus胶体球的集体行为；

（e）在交流电场下由不对称二聚体形成的手性胶体结构；

（f）交流电场产生的EHD作用下的粒子集群；

（g）滚动颗粒从各向同性气体向传播带和均相极性液体的集体运动。

图五、混合场驱动的微纳机器人的形成与运动
（a）微型金属棒在磁场和声场共同作用下的集群行为；

（b）团聚的磁性颗粒在声场作用下沿壁面迁移；

（c）TiO₂/Au和Au/TiO₂ Janus微粒在声场下的光控集群行为；

（d）赤铁矿立方体包裹的聚合物微粒集群在蓝光和混合光/磁场驱动下的形成与运动；

（e）金属纳米棒在声场和磁场的引导下的自主装与运动；

（f）磁性花生状微粒在蓝光照射下的集体行为。

图六、微群的主动与被动形态变换
（a）纳米粒子旋涡状集群在不同磁场旋转频率下的合并与分裂；

（b）条形纳米粒子集群的可逆伸缩与运动；

（c）花生型磁性粒子集群在不同磁场下的四种形态及其互相转变；

（d）铁磁性颗粒组成的二维集群；

（e）TiO₂微粒集群在狭窄通道中的被动伸长。

图七、超声成像下的集群定位和引导
（a）在静态磁场和旋转磁场下对磁性纳米粒子链进行超声成像，并沿预定路径引导微群；

（b）纳米粒子在猪膀胱表面上的可逆分散和聚集；

（c）旋涡型微群在离体牛眼球中的形成和引导；

（d）条形微群在全血中溶栓时的可调节的运动模式与形态转换，以及基于超声成像的定位；

（e）磁性发丝机器人在鸡离体组织中的超声多普勒成像；

（f）在仿生模型中用B模式成像、普通MMUS和反向MMUS观察纳米颗粒区域。

图八、成像引导主动递送微纳机器人集群
（a）螺旋型微机器人在OCT引导下在眼球中运动；

（b）在纵向肿瘤切片中，不同深度处的MC-1 Texas Red荧光微球和FITC荧光微球；

（c）小鼠腹腔内螺旋形微机器人集群的荧光成像引导；

（d）生物混合型微机器人在小鼠的皮下组织中基于体内荧光成像的聚集和运动；

（e）使用正电子发射断层扫描（PET）追踪微机器人集群；

（f）大鼠胃内的螺旋形微机器人集群的磁共振成像（MRI）；

（g）螺旋形微机器人集群在小鼠皮下组织中的光声（PA）成像引导运动。

【结论展望】

综上所述，微纳机器人集群及其靶向递送应用在过去十年里取得了极大的进展。在本文中，作者总结了微纳机器人集群的形成、引导、定位及其在成像引导靶向递送中的应用。虽然在体内可控给药方面已经进行了大量的研究工作，但是当前的研究仍存在许多局限性，在控制微纳机器人集群以实现靶向给药任务方面还需要进一步的研究。在这方面，作者认为还存在的挑战如下：

（1）微纳机器人集群的体内运动控制：三维（3D）运动、远程递送以及环境适应性；

（2）微纳机器人集群、控制单元和成像系统的结合；

（3）微纳机器人集群的临床应用。

目前，关于微纳机器人集群医学成像以及体内应用的研究还很有限，医学成像系统也尚未被广泛应用于靶向治疗中，基于医学成像的微纳机器人集群控制侧重于集群的定位和引导。将微纳机器人集群的成像引导控制与靶向治疗/递送相结合将会是未来研究的热点。

文献链接：External Power-Driven Microrobotic Swarm: From Fundamental Understanding   to Imaging-Guided Delivery. ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c07753.

 团队介绍

张立，2012年加入香港中文大学机械与自动化工程学系，并于2017年获得终身教职，现为周毓浩创新医学技术中心成员，同时兼任中国科学院深圳先进技术研究院一香港中文大学机器人与智能系统联合实验室港方主任。2007年获瑞士巴塞尔大学博士学位；随后在瑞士苏黎世联邦理工学院机械与加工工程系先后从事博士后研究、担任高级研究员和讲师。目前还兼任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)等多个IEEE专业期刊的编委。

主要研究领域包括微纳机器人学及其生物医学应用，微纳机器人集群，功能材料用于驱动、传感和医疗机器人的应用等。在Science Robotics，Since Advances，Nature Communications, IEEE Transactions on Robotics, The International Journal of Robotics Research, Soft Robotics等国际著名刊物上发SCI学术论文200余篇。其中，研发的微型仿生机器人于2012年被吉尼斯世界纪录收录为“最微小的医用微型机器人”，同时也在多个IEEE国际会议上获最佳会议论文奖或最佳会议学生论文奖，包括ICRA、IROS、CASE和NANOMED。曾获2013年香港研究资助局杰出青年学者奖，电气和电子工程师协会纳米技术理事会（IEEE NTC）杰出讲师，香港中文大学青年学者研究成就奖，香港联合书院杰出青年学者研究奖等荣誉。

 团队在该领域工作汇总

张立教授团队的研究工作主要集中在微纳机器人及其相关领域，致力于在小尺度上将微/纳米技术、功能材料与和机器人技术相结合。团队的主要研究目标是微纳机器人及其集群的制备、控制以及实际的生物医学应用，构建用于具有环境适应能力的多功能智能微纳机器人系统。近年来，该团队在微纳机器人领域取得了令人瞩目的研究成果，包括：

1. 研发了基于荧光磁性孢子微机器人（fluorescent magnetic spore-based microrobots，FMSM）的高效动态传感平台，检测患者粪便中存在的难辨梭菌（Clostridium difficile，C. diff）所分泌的毒素。通过在多孔天然孢子上直接进行磁性纳米粒子沉积以及传感探针包覆，可以快速且廉价地合成这种微机器人（Science Advances, 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aau9650）。

2. 利用程序控制的振荡磁场在二维平面上形成微纳机器人集群，即一种具有动态平衡结构的可重构条状顺磁性纳米粒子微群（reconfigurable ribbon-like paramagnetic nanoparticle swarm，RPNS）。研究了微群的产生机理，展示了微群超高长宽比的可逆伸缩，同时也展示了微群的其他可逆重构行为(Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05749-6)。改微群系统可以用于模仿蚁桥的结构和功能，能够为电子搭建一条跨越阻隔的导电通路。其中具有分层结构的 Fe3O4@PDA@Au 纳米粒子被用作微群的基本构件模块。微群中纳米粒子的设计及其间的相互作用使它能被用作微开关、修复破损的微电路、构成具有特殊优点的柔性电路，展现出了在电子领域的广泛应用前景（ACS Nano, 2019，DOI：10.1021/acsnano.9b02139）。

3. 研究了旋转型微集群在超声成像下的成像特点、定位以及自动化路径引导。不同于单个的微机器人，微集群在超声图像中显示出动态的对比度以及基础单元聚集引发的高信噪比，这有利于在复杂环境中对磁性微集群进行实时定位和引导。方法的有效性在体外实验（ex vivo）中得到了进一步的验证 （IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2020，DOI：10.1109/TBME.2020.2987045）。

相关优质文献推荐

1. 张立，俞江帆，杨立冬. 微纳机器人：从个体到集群[M]. 科学出版社, 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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