近日瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）机器人与智能系统研究所，联合明斯特大学理论物理研究所软纳米科学中心的一支机器人和声学工程师团队，共同研发出一款微型机器人，该机器人能够利用声波在狭窄管道实现自由穿梭。

这项研究进展已经在《Science Advances》杂志上面发表，研究人员详细记录了这一创新设计的测试背景与测试过程，该项研究成果将有望推动基于微纳米技术的医疗手术机器人的落地应用。

构建药物主动运输渠道成业界热点

常规的药物递送如打针、吃药、输液等方式，都是靠药物分子或载体在血液中扩散进行的，导致递送效率低下。有学者对近30年以来的药物递送做出了统计，发现采用传统递送方式输送药物约12小时后，到达目标位置的药物还不到1%。这意味着绝大部分药物已在路上丢失了。因此，构建新型药物主动运输渠道，成了业界的研究热点。

1966年，一部名为《奇幻旅程》的外国电影，描述了一名医学家身患重疾，为了生存，他不得不做出一个冒险的决定——将他的5名同事缩小到纳米尺寸，注射进自己的体内，让他们直接“游”到病灶区域替他诊疗。受这个虚幻故事的启发，科研人员一直梦想着创造发明出一种能自主游动的纳米机器人，把药物装载在机器人身上，让机器人在人体内展开“自由泳”，最后直达病变部位发挥药效。

追溯历史，最早提出微纳机器想法的是诺贝尔奖得主、理论物理学家理查德·费恩曼。他在1959年就曾设想通过原子或分子来构建微纳米尺度的微纳机器。费恩曼在一次题为“在物质底层有大量的空间”的演讲中描绘说，将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质。这无疑是化学家和生物学家意欲达到的理想彼岸。

让人欣喜的是，自2004年起，业内就已经涌现出了多种化学和外物理场（如光电磁热等）驱动的游动微纳米机器人，这些机器人可在水中高效游走。但人体内环境非常复杂，尤其是身体中还存在血脑屏障、血眼屏障等多种生物屏障，这些生物屏障在保护人体免遭外源细菌和病毒侵入的同时，也会妨碍这些机器人向病患区域精准投送药物。

微纳机器人首先要“骗过”免疫系统

中国微米微纳米技术学会微纳执行器与微系统分会理事、哈工大博士生导师吴志光教授曾介绍说，早期游动微纳米机器人基本都是由微机电系统等构件组成，自身材料主要是金属、金属氧化物及人造聚合物。

这样的微纳米机器人进入体内后，首先不能被降解，因而具有很大的危险性；其次，这些金属和金属聚合物是人体外源物质，生物相容性差，一旦进入体内就会触发免疫系统的“警报”，进而受到免疫细胞的围剿，致使“出师未捷身先死”，还未抵达病灶，可能就已经被人体免疫系统“绞杀”了。

此外，“研发微纳尺寸机器人首先要解决的是驱动问题，许多宏观世界的驱动方法在微观世界里却难以实现。”吴志光说，“人如果躺在满是水的浴缸里，是可以浮起来的。但如果将人浓缩成纳米尺度，水给人的感觉就像是一种非常浓稠的糖浆，让人动弹不得。”

科学家发现，自然界有很多微纳米尺度的东西能够随意遨游，比如分子马达、生物马达，还有细菌、精子等，能借助摆动过程中产生的不对称的区域流体场向前运动。而早在2010年，贺强就在哈工大组建了国内首个游动纳米机器人研发团队，在他的组织下，吴志光及其同事应用化学方法，首次将原子组装成微纳米的结构，在化学场或外光、磁场下成功施行了可控游动，甚至直接被引导至目标细胞。

以声音为动力的微型机器人问世

一直以来，医生一直在寻找一种更为精准且便利的药物运送方式，以确保药物能够通过血管或倡导传送到病人患处，从而避免不必要的副作用。微型机器人，或称微型机器人，被吹捧为下一代的药物输送系统，而且它们还在继续进步。在过去的几年里，我们已经看到了从改变形状的微型机器人到喷洒药物的微型机器鱼的进展。

经过设计的纳米颗粒是很好的药物载体，因为它们可以防止药物降解并控制药物释放的速度。然而，许多纳米粒子依靠血液循环或扩散作为其主要运输方式，这限制了它们到达某些器官和组织的能力。甚至研究人员已经尝试过包括利用外部磁铁控制微型机器人的方法，虽然在市场上来看，该项技术前景广阔，但依然没有解决精确控制这个问题，这也是目前行业遇到的主要难题。

而该项研究则恰巧解决了这个问题，该项研究团队通过引入声波技术，从而实现药物在人体内更精准地输送。这项技术的核心是通过捕捉声波中的能量来推动无马达机器人，为实现这个功能，研究人员使用3D打印一个螺旋形状（形似钻头）的机器人，之后将这个机器人放入玻璃管中，之后对螺旋形机器人发射声波，科研人员指出，声波会使液体中的分子振动，从而产生漩涡，推动机器人前进。

除了推动机器人之外，研究人员还发现可以通过改变声波的特征来改变机器人在管道中移动的速度和方向。通过调整声波频率，机器人还可以实现通过倾斜的45度角向上推动。

下一步，研究人员将使用更加柔性的材料在更狭长的管道当中测试声波推动的研究，以便更好地模拟人体的血管组织，尽量减少对于患者的物理伤害。如果该研究能够通过安全风险评估，尽早落地商用，将会给医疗行业带来新的发展机会。

文章来源： 机器人大讲堂，光明网，cnBeta