走近前沿新材料I：微纳机器人——于细微处见神奇

林心怡，梅永丰*

复旦大学材料科学系

图1 微纳“小医生”

1.从想象与自然出发：神奇的微纳机器人

你有没有幻想过，用哆啦A梦的缩小隧道，将自己变小，一探神奇的迷你世界？或者有没有幻想过，肉眼看不见的微小的手术机器人，能进入人体治疗疾病？早在1966年，科幻电影《奇异之旅》（Fantastic Voyage）凭借大胆新奇的剧情红极一时。影片描述了五位医生缩小成微米人，被注射进人体，拯救生命垂危的科学家的冒险故事，表达了当时的人们对微纳机器人未来用于医疗等领域的期待。

想象与好奇永远是科学研究的助推器。从细胞到分子、原子，科学家们不断认识微纳世界：原来在生物体中就有天然的微纳“机器人”！举个例子：生物体细胞内有一大类名为驱动蛋白的蛋白质大分子，它们能利用细胞的能量“通货”ATP（三磷酸腺苷）水解释放的能量驱动自身，沿着特定的轨道运输货物分子。如图2所示，驱动蛋白就像搬运工一样，它们的一端有两只“手”抓住货物，另一端有两只“脚”踩在微管上，沿着微管行走，最后把货物运送至目的地。

图2 驱动蛋白沿着微管运输货物

那么人们能不能制造出如同驱动蛋白一样的，将其他能量转化为自身运动能量的微纳机器人呢？随着对微纳尺度物体运动方式等研究的深入，人们了解到：微纳尺寸物体在水等溶液中运动，同宏观尺寸的物体在水中的运动有很大不同！第一个不同在于惯性力与粘滞力的比值比较小，微纳马达在溶液中运动就宛若人在胶水中运动一样困难。为了克服较大的粘滞力，就需要微纳尺寸物体能够有持续的推动力。第二个不同在于微纳物体受液体分子的无规则运动（布朗运动）的影响很大，很容易就像随波逐流的落叶一样无法随心所欲地运动。为了尽量不受布朗运动的影响，我们还要能控制微纳物体的运动。逐渐地，运用这些认知尝试创造微纳机器人的条件就成熟起来。终于，在2004年，科学家们研制出金-铂（Au-Pt）双金属纳米线，如图3所示。当金-铂（Au-Pt）双金属纳米线被放入过氧化氢（H2O2）中时，过氧化氢（H2O2）在铂（Pt）端被催化氧化，失去电子，电子从铂（Pt）端跑到金（Au）端，并在金（Au）端将溶液中的氢离子（H+）还原成氢气（H2）。当电子往金(Au)端运动时，会吸引着带正电的氢离子（H+）也流向金（Au）这一侧，进而推动纳米线朝着铂（Pt）这一端运动。这种微纳机器人成功将过氧化氢的化学能转换为自身的动能，推动自身运动——这标志着人们对微纳机器人材料的研究真正拉开了序幕。

图3 第一个微纳机器人：金-铂（Au-Pt）双金属纳米线：a示意图；b扫描电子显微镜图(SEM)

2. 认识微纳机器人大家族

（1）微纳机器人的定义

微纳机器人，又称微纳马达。那么究竟什么是微纳机器人呢？让我们严谨一些定义它：微纳机器人是能将外界能量（化学能、光能、磁能、声能等）转化为自身机械能，使自身完成特定运动（比如旋转，螺旋形运动，以特定路线运输货物等）的微米/纳米尺寸器件。用更简单的话来描述，就是外界给予微纳机器人所需的能量时，微纳机器人会将外部能量转化为自己的动能，按照人们预先设计的方式运动，并完成相应的任务。打个比方：我们每天要吃饭，把不同种类食物的能量转化为自身运动的能量，才有力气从家里到学校或者公司。我们也有不同的运动方式：可以或走路、或跑步、或骑车。这与微纳机器人接收外部不同种类能量，并转换成自身运动的能量，实现不同的运动方式，最后完成不同的任务有异曲同工之妙。

（2）微纳机器人/马达的分类

那我们如何对微纳机器人大家族进行分类呢？其实有很多种分类方式。比如说，按形状分，有线形、球形、管状、圆盘形等。

图4 不同形状的微纳机器人

但更经常地，我们通过驱动微纳机器人的能量性质不同划分：以化学反应提供的化学能为能源的化学驱动微纳机器人、以紫外光或红外光为能源的光驱动微纳机器人、以超声波为能源的超声驱动微纳机器人、以电流为能源的电驱动微纳机器人、从外磁场获取能源的磁驱动微纳机器人等。

（3）微纳机器人/马达运动的机理与调控

微纳机器人接收不同的能源，将这些能源转换为机械能的过程相对比较复杂。其中一种将外界能量转化为自身机械能的方法是形成梯度场。当微纳机器人接触的外部环境条件均匀时，它可以通过自身的物理非对称或者在它表面发生的化学反应的不对称，形成一个梯度场（浓度梯度场、电梯度场、热梯度场、压力梯度场等）。不妨想象一个斜坡，放在坡顶的球会滚落到坡底。这里的“斜坡”可以相当于梯度场，“球”可以相当于处于梯度场的分子、离子。微纳机器人周围的水分子或者其他分子、离子由于这个梯度场的存在，都会从梯度高的地方跑到梯度低的地方，无数的小分子、离子的运动带动了微纳机器人的运动。还有一种将外界能量转化为自身动能的方法，就是让微纳机器人催化加快诸如过氧化氢（H2O2）分解产生气泡的化学反应，通过气泡推动微纳机器人运动。当然，驱动机理繁多，不可尽数。

也许你会问，虽然我们能通过给予微纳机器人能量，让微纳机器人运动。但是我们能控制微纳机器人的速度，或是让它们随时停下来吗？答案是肯定的。对于化学驱动型微纳机器人，我们可以通过调节化学“燃料”的浓度，来调控微纳机器人的速度；对于超声驱动型微纳机器人，我们可以通过施加超声波与否、施加超声波的强弱来控制微纳机器人的启动与停止；对于光驱动型微纳机器人，类似的，我们可以通过调节光的强弱与有无，来“指挥”微纳机器人前进或者原地待命。

3.细看微纳机器人——了解微纳机器人材料

根据不同能量驱动的分类方式，我们可以选择相应的微纳机器人材料。微纳机器人通常并不是由单一的一种材料所制得，一般至少由两种或两种以上的不同材料经过加工,实现各自的功能。为了实现不同外界能量向机械能的转换，我们设计微纳机器人时要选择相应的能对特定能量刺激做出响应的功能材料，即微纳机器人材料。能被用于制备成微纳机器人的材料涉及金属材料、生物医用材料、磁性材料、热致形变材料、光致形变材料等等——种类繁多，集百家之长。不妨让我们管中窥豹，认识几种常见的用于制造微纳机器人的材料吧！

（1）  化学驱动“小助手”——金属材料

化学驱动微纳机器人通过将化学溶液中的化学能转换为机械能来运动。通常用的化学溶液是过氧化氢（H2O2）溶液或水（H2O）。大多数情况下，为了让微纳机器人运动，我们需要能够催化分解过氧化氢或者水生成气泡的材料（催化作用在这里指的是加快化学反应的速度），或者是能直接与化学溶液反应的材料。我们通常用一些金属材料来达到这两种目的之一。

第一类金属材料是能做为催化剂，自身不反应，只起到加快化学溶液反应的作用。以过氧化氢（H2O2）为化学燃料，比如下图所示的Janus小球。Janus是古罗马中看守门的神，他在相反方向具有两个不同面孔，引申为小球的两半是由不同材料所组成的。这里用到了两种典型的微纳机器人材料。其中一种是作为催化剂的金属铂（Pt），另一种是水凝胶材料。由于金属铂（Pt）对过氧化氢溶液（H2O2）具有催化分解作用。根据化学反应式：

过氧化氢（H2O2）在金属铂（Pt）的催化下生成许多氧气（），而只有有铂的一半能产生氧气气泡，另一半不产生气泡，在不均匀的受力下，小球就能向前游动了。

图5 Janus水凝胶-金属Pt微纳机器人通过产生氧气气泡游动

不仅是铂（Pt）能作为催化剂用于微纳机器人中，诸如金属银（Ag）、氧化物二氧化锰（MnO2）等也能起到相似的催化作用而被作为化学驱动型微纳机器人材料。

第二类金属材料会与化学溶液进行反应，反应过程中金属自身也会被逐渐消耗，典型代表是锌（Zn）和镁（Mg）。以聚苯胺（PANI）/锌（Zn）管状微纳机器人为例，如图所示，管状机器人内部是金属锌（Zn）层，在强酸性溶液中，锌（Zn）会与酸性溶液中的氢离子（H+）反应，生成氢气（H2）气泡，进而推动机器人运动。使用这类金属材料的好处是，由于反应剧烈，氢气气泡生成速率快，推动力强，微纳马达速度可以非常快。另外，锌（Zn）作为人体的微量营养元素，本身也是无毒的，具有生物相容性。

图6 聚苯胺（PANI）/锌（Zn）微纳机器人在强酸溶液下运动

（2）极具生物亲和性的水凝胶材料

水凝胶是一种极具生物亲和性能的三维材料，能吸收大量的水并且不变形。水凝胶可以分为传统型水凝胶和智能水凝胶。智能水凝胶是会对外界刺激（比如对温度、酸碱度pH等）做出响应的一种水凝胶。科学家们就会思考，既然有些水凝胶能对外界刺激做出反应，是不是能将其应用在微纳机器人上，作为驱动的关键部分呢？

其中有一种温度响应型的水凝胶名为聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm），它能在33℃时发生变化：外界温度高于33℃，它的吸水量就会下降。当温度从低于33℃到高于33℃变化时，由于吸水量下降，水凝胶体积也会有所减小。由于33℃接近人体温度，作为温度敏感型水凝胶，PNIPAAm一直是近年来受到科学家们关注的热点微纳机器人材料，也被做成Janus球状、管状的微纳机器人加以应用。

可以说，用诸如水凝胶这样具有生物亲和性的材料制备微纳机器人，是如今研究的一大趋势所在。

（3）掌控微纳机器人方向的“小舵手”——磁性材料

目前为止，最常被用于控制微纳机器人运动方向的方法有磁场控制、超声控制、电控制、光控制。其中若要通过外加磁场控制微纳机器人的运动，就需要将磁性材料用作微纳机器人材料。科学家们用不同方法将铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、纳米四氧化三铁（Fe3O4）等引入微纳机器人中，并通过外加磁场实现对多种微纳机器人的精确控制。

图7 通过磁场精确控制管状微纳机器人的运动轨迹

如图所示，这是一个由铂（Pt）/金（Au）/铁（Fe）/钛（Ti）四种材料卷曲成管状的微米机器人。其中铁（Fe）是磁性材料，能够对磁场变化做出响应。通过改变外加磁场，该管状微米机器人能够完成直行、拐弯、螺旋前行、原地画圈等一系列灵活的动作。 

4. 微纳机器人的“用武之地”

微纳机器人虽然个头小，本领可不小。十几年来，科学家们已经探索了不同微纳机器人在生物医学、环境治理、显微成像等领域的应用。我们不妨来看看微纳机器人是如何在各自的领域“大展身手”的吧！

（1） 生物医疗领域的“小医生”

药物靶向运输

药物靶向运输是近些年来兴起的名词，想必你也一定不陌生。药物靶向运输指的是通过载体可控地将药物定向运输到患处。这种治疗方式能够解决传统药物治疗的一些缺陷，比如能降低药物对全身引起的毒副作用，提高疗效等。在医疗人员的精确控制下，微纳米机器人能作为运输药物的“汽车”，通过血管将药物直接运送到病变组织。

图8 微纳机器人定向运输药物的示意图

举个例子，血栓是中老年人常患的一种疾病，这种病会使血管阻塞，血流不通畅。有一种常用来治疗血栓的药，名为纤溶酶原激活剂t-PA。但这种药有致命的缺点：在溶解血栓的时候，会在身体内扩散，导致颅内出血等严重副作用的产生。科学家们就利用微纳机器人精确运输药物的优点，用磁场来控制装载有t-PA的微纳机器人运动，使其精确运动到血栓处，实现局部给药。

细胞、蛋白质、核酸的识别、捕获与运输

一个人的相貌与声音几乎是独一无二的。我们能认出熟人，往往是通过观察他们的这些特征。但是细胞、蛋白质之间又是如何相认呢？原来在细胞的表面，有许多的“接收天线”——受体，一种受体能对应认出一种细胞或者蛋白质。这些“接收天线”认出相应的物质后，细胞就会做出对应的反应。这和我们看到认识的人会选择打招呼是一个道理。受此启发，科学家们将需要的“接收天线”安装修饰到微纳机器人表面上，来识别细胞、蛋白质或者核酸，进而将它们捕获并进行运输。

图9 微纳机器人识别并捕获红细胞

纳米手术

随着对微纳机器人研究的深入，研究者们不再满足于微纳机器人单纯运输货物或是识别、运载分子、细胞，而是想将微纳机器人应用于微创手术中。他们研究的第一步，就是希望能用微纳机器人对生物组织进行切割或刺穿。比如如下图所示的微纳管状机器人，其一端是尖的，在外加旋转磁场的控制下，微纳管状机器人用其尖端对准猪肝组织，并旋转推进，成功地刺穿了猪肝组织。然而要发展到真正能控制微纳机器人完成复杂精细的手术，还是漫漫长征路。

图 10 扫描电子显微镜图，a微纳机器人作为钻头钻入猪肝组织；b猪肝组织被刺穿

（2）监测与修复环境的“小卫士”

时至今日，环境问题日益严峻。就水资源而言，淡水资源只占地球水资源的2%，而能被人们利用的淡水资源仅占地球水资源的0.3‰。在这种严峻的情况下，仍有大量水体被污染。然而，现有的水质检测技术对痕量（＜0.01%）的污染物或是新型的污染物没法进行有效检测和处理。因此，需要发展出具有针对性、多功能的水质检测与处理方法。微纳机器人由于运动速度与外界环境密切相关、通过运动能与反应物充分接触等特点，在自动追踪、隔离和降解污染物或屏蔽有毒、有害物质方面广受研究。

那么微纳机器人是怎么检测有毒物质的呢？简单来说，有些痕量重金属离子能加速特定微纳机器人的运动，而微纳机器人运动速度的加快，可以被人们检测出来，进而人们可以知道水体里含有这类痕量的重金属元素。比如我们最初提到的金（Au）/铂（Pt）管状微纳机器人，它能在有痕量银离子（Ag+）的溶液中加快运动速度。

微纳机器人又是如何处理一些特定的污染物的呢？让我们认识两种微纳机器人处理污染物的方法吧。第一种方式是吸附，是物理作用。我们都知道，活性炭是外观为黑色、内部空隙结构发达、具有强吸附性的一种碳材料。当微纳机器人中有活性炭材料时，活性炭可以有效吸附一些重金属、有机磷神经毒剂等污染物。第二种方式则是通过光催化降解，是化学作用。光催化降解就是指在有光照、有能加快反应的光催化剂下，有机污染物能被分解成无害的无机物的过程。微纳机器人提供诸如纳米二氧化钛（TiO2）等催化剂，能在有光的条件下加快有机污染物分解。说出来你可能会大吃一惊，到目前为止，科学家们已经发现超过三千种的有机污染物能在光照的条件下，通过纳米二氧化钛（TiO2）或者纳米氧化锌（ZnO）迅速分解了！

5. 未来之星——微纳机器人的发展前景

总而言之，微纳机器人能够化外界能量为自己的动力。根据微纳机器人的用途，研究人员选择不同的材料，将这些材料加工成特定形状的微纳机器人，并执行相应任务。

也许你会好奇，微纳机器人如果真的那么有用，为什么好像不曾在生活中真正看到医生往病人体中注射微纳机器人？为什么好像不曾在生活中真正看到水质监测工作者用到微纳机器人呢？微纳机器人的诞生至今不过短短十几年时间，目前科学家们正在探索其于各方面的用途。然而从科学研究到实际应用，微纳机器人还要走多久呢？我们一方面要正视现实应用中复杂的环境：人体中存在血液循环，血液是流动的，如何在复杂的血流中实现微纳机器人的精准控制？虽然现阶段已经成功实现了体外和小鼠体内的定向给药试验，但这到临床还需很长一段时间。如果用磁场，那么磁场会同时使多个磁控微纳机器人做相同运动，如何区分并远程控制多个微纳机器人做不同任务？在监测与改善水质这块，微纳机器人成本尚且高昂，如何能与成熟健全的传统水质监测与改善方法相抗衡？实际应用中需要思考的问题不胜枚举。

但是更重要的是，我们要看到微纳机器人的广阔而明媚的未来。发展完全生物可相容、完全智能化的微纳机器人是未来的发展方向。虽然微纳机器人研究领域还相当年轻，但我们有理由相信，不久的将来，微纳机器人能像电影里那样，成为“智能小医生”。

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内容简介

　　我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。

目 录

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