微纳机器人是尺寸仅微米至纳米级的微小自主机器，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。这一技术作为跨学科前沿领域，正在深刻改变着生物医学、环境修复、智能制造等多个行业的技术格局，展现出变革性潜力。
华南理工大学吴贤铭智能工程学院研究团队（以下简称“团队”）深耕这一领域，系统综述了多模块微纳机器人的功能模块。他们锚定现有挑战与实际应用场景，在微纳机器人的设计、制造与应用方面取得了一系列重要突破，相关成果为解决环境污染治理、工业质量检测、精准医疗等重大挑战提供了有益的技术基础。
1 主要研究成果及突破创新点
提及机器人，人们的第一印象往往是在流水线上高效工作的机械手臂，或者是科幻电影中身手灵活的人形机器人。但随着对自然的不断开发与经济社会的不断发展，人类难以正常开展工作的非常规应用场景不断增多，这也对机器人提出了全新的形态和功能要求。依托纳米技术的发展，团队在多功能集成与精密制造、微纳尺度通信技术两个大方向上取得了一系列突破性进展，并形成了从基础研究到应用示范的完整链条。
1.1 多功能集成与精密制造
作为一门涵盖各个领域的综合性学科，微纳机器人学科的突破离不开物理、化学、生物、力学、材料学、微纳制造等学科的融合交叉发展。团队以微纳技术为核心，汇聚了多学科理念与技术路线，在工程与精密制造领域成功交出了一系列有竞争力的答卷。
团队系统研究了多模块微纳机器人的设计理念，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。研究发现：在生物医学领域，体内成像难题主要体现在难以在实时分辨率、非侵入性和安全性上达到平衡；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。于是，团队通过融合驱动、传感、执行等模块，不仅使微纳机器人实现了“运动 - 成像 - 执行”的全链条功能，更使其在生物医学靶向治疗、环境污染物清除等领域展现出巨大潜力。
图 1 高精度微纳 3D 打印系统结构图
在微纳制造技术方面，团队提出了一种融合水凝胶墨水直写技术（DIW）与紫外光固化的微纳管道增材制造方法（图 1）。以这一方法构建的高精度微纳 3D 打印系统可实现内径小至 3 μm 的微纳管道加工，成本低、灵活性高，且具有良好的材料兼容性。此外，引入了具有各向等比例收缩特性的卡波姆水凝胶，有效提升了三维结构的成型精度，以这一技术路线加工而成的管道具备光滑透明的管壁、可编辑的几何路径以及优异的尺寸一致性（直径方差小于 0.0064）。该系统集成了高压驱动、良好气密性和高精度三维运动平台，保障了极小尺寸打印的稳定性。
1.2 微纳尺度的通信技术突破与应用
迄今为止，分子通信（Molecular communication, MC）在理论层面已得到广泛研究。然而，在实验层面，尤其是在微纳尺度下进行系统性研究仍面临诸多挑战。
微纳机器人的主流运动方式包括化学驱动、磁场驱动、生物驱动，但现有的驱动方式普遍存在小型化困难的问题，响应速度和信息传递精度也达不到要求。为了打破这些限制，团队引入了光驱动微纳机器人，实现了微纳尺度上的通信技术突破。
团队将通过光驱动微纳机器人系统模拟生物体的光感应与通信设定为研究的落脚点，成功制备出响应365 nm 紫外光的微纳机器人，实现了其多向操控。
通过控制机器人运动，实现了仿生信息传输，并提出了低复杂度检测器以确保无差错通信（图 2）。他们还设计了配备双光源的光驱动分子通信测试平台，利用通断键控（OOK）调制，将光信号转化为机器人运动，并通过检测机器人数量获取数据。该研究实现了数据编码和100 bit 无差错传输。
图 2 基于光学显微镜的微纳尺度通信平台
在靶向给药方面，团队揭示了磁驱微纳机器人的非侵入性、高精度和时空调控性强等优点。通过控制磁性粒子的自组装行为，实现了可回收的载药微球机器人的制备。这类机器人制造方法简单，产量高且成本可控，在微尺度操作、精准药物输送和生物医学诊断等领域大有可为。
1.3 低能可见光驱动磁辅助清洁机器人
微塑料造成的污染已成为全球性的环境危机。更令人担忧的是，微塑料能够迅速穿透生物屏障进入人体组织。目前，已在多种动物和人体组织内，包括血液和大脑中检测到微塑料的存在，这种污染一旦造成，就难以有效清除。传统的污水处理方法（如物理过滤和混凝）不足以有效去除微塑料。
为了实现水环境中微塑料的高效去除，团队在已有的技术和实践研究基础上开发了一种低能可见光驱动磁辅助清洁机器人。他们引入了可见光吸收性高、毒性低、制备方便、化学稳定性好的类钙钛矿半导体材料钨酸铋 ，并以此为基底设计了低光能驱动微型机器人。 其设计思路是通过光还原法在 钨酸铋微球上沉积 Ag 纳米颗粒，以增大机器人在可见光下的光子吸收度，可以在纯水环境下自组装形成集群，实现强吸附。
团队研究开发了清洁微纳机器人，其有较高的光子吸收范围和光子吸收度，可以在极低光能下吸收微塑料，大幅增加了未来机器人在人体或海洋淡盐水环境中微塑料处理方面的适应力。为了提高清洁机器人的效率，引入了磁场作为辅助外力来调控其主动路径。在磁场频率为14 Hz时，此类磁辅助清洁机器人可以在93 s内实现98%的微塑料去除效率，远高于目前已知的去除微塑料的方法。
2 经济效益和社会效益
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。基于此，团队在多模块集成设计的理念指引下，针对现有技术的各种局限开展攻关，探索了微纳制造技术和微纳通信技术，实现了从实验室创新到具体产业实践应用的跨越。他们以前期技术研发为基石，首先在理论上将微纳机器人技术应用于康复医学，以低风险干预手段最终实现了这一技术的可行性验证；随后，将微纳技术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。这些创新对我国的可持续发展和居民健康具有重要意义。
团队在不断的探索钻研中发现，集成计算人工智能的微纳机器人可以实现自主导航、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，有助于提高运行效率，并扩大可及性。下一步，他们将在多学科集成的微纳技术研究之路上砥砺而行，以期实现微纳尺度上的闭环控制、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的、具有适应及执行性的自主机器人。
专家简介
喻婷婷，博士，华南理工大学吴贤铭智能工程学院副教授。本科及硕士毕业于德国达姆施塔特工业大学，博士毕业于德国斯图加特大学及德国马克斯·普朗克智能系统研究所。团队主要从事微纳加工、微纳机器人及微纳机器相关研究。
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