微纳机器人在精准医疗与微操作装备中的技术进展

在精细化操作与微尺度干预需求不断增加的背景下，微纳机器人技术正在逐步丰富其结构形式和应用场景。材料可控性、驱动方式多样化以及微结构的高度集成，使得微纳机器人具备了以往难以实现的灵活性与精度。近期，研究团队在磁性微型机器人给药平台与微型Delta机器人方面取得了两项具有代表性的进展，它们分别对应医学微创给药与微尺度高精度操作两类方向。尽管研究目标不同，但在结构、制造、驱动与系统协同上的创新呈现出一定的共性。本文对这两项成果的技术路线进行梳理，尝试呈现当前微纳机器人研究中的若干关键思路。

一、磁性微型机器人给药平台的系统化研究

1. 靶向给药的局限与磁驱动方向的提出

在传统药物治疗过程中，药物随血液循环扩散至全身组织，可能导致有效浓度难以维持且副作用增加。对于肿瘤、血栓等局部病灶明显但位置复杂的疾病，提升药物的局部递送效率始终是临床关注的重点。磁性微型机器人能够在外加磁场控制下实现可控运动，其定向性为靶向给药提供了新的可能。然而在此前的研究中，导航、成像、材料、生物相容性等关键环节往往分散在不同技术中，缺乏能够直接支持临床场景的整体性方案。

2. 一体化平台结构：导航、释放与成像并行设计

瑞士苏黎世联邦理工学院联合西班牙巴塞罗那大学、葡萄牙波尔图大学等多所机构研究人员组成的团队提出了一体化磁性微型机器人给药平台，将多个关键模块整合于统一框架：

（1）双Navion电磁导航系统耦合：形成约20cm的立方操作空间，能够产生较高磁场梯度以克服血流阻力，同时与C臂成像设备兼容，便于实时观察。

（2）定制导管与柔性夹具：以7Fr商用导管为基础，通过聚合物夹具实现对微型机器人的稳定夹持与释放，经过测试，其机械性能在多次循环中保持较好的稳定性。

这一结构使平台能够实现从“导航→定位→释放→成像”的连续操作流程。

3. 胶囊型微型机器人的材料构成与制造流程

微型机器人采用球形水凝胶作为主体，并内嵌：锌取代氧化铁纳米立方体（增强磁响应性）；钽纳米颗粒（提高X射线成像对比度）；不同类型的治疗药物（小分子药物或蛋白类药物均可）。其制造基于定制微流控平台，通过水凝胶溶液与油相的共流模式，使胶囊能够在冷却油浴中迅速交联成型。流速与温度可控，使胶囊尺寸适配不同生理模型。锌取代氧化铁纳米立方体兼具较强磁响应与可调热效应，在高频磁场下可局部升温，使胶囊结构溶解，从而触发药物快速释放。这为不同治疗场景提供了相对灵活的释放方式。

4. 运动模式、导航精度与药物释放效果

平台根据血流环境设计了三类运动模式：

（1）滚动驱动模式：适用于低流速区域；

（2）梯度牵引模式：用于对抗较高血流速度；

（3）流内导航模式：在分叉结构中提供方向选择。

在模拟脑血管及动物模型实验中，机器人能够在多种血流速度下抵达预设位置。在Y型分叉结构中，递送成功率能够达到较高水平。药物释放方面，研究提供两种方式：扩散式缓释：用于慢性治疗；高频磁场触发溶解式快速释放：用于对时间敏感的急性处理。在血栓模型中，短时间内即可观察到血流恢复与血栓减少，展示了此平台在特定情境下的应用可能性。成像环节通过钽纳米颗粒增强X射线可见度，使机器人能够在不同组织背景下保持清晰可见。

5. 大动物模型验证与研究延伸

在羊与猪模型中的测试表明，机器人可在复杂解剖结构（如脑室、颈动脉及其分支）中维持可控运动，并实现精准释放。研究团队也指出，材料长期安全性、不同疾病场景的参数优化及制造工艺一致性等问题仍需进一步研究。总体来看，这一平台以系统化方式整合了导航、成像与释放，对于理解微型机器人在医学场景中的工程化路径具有参考意义。

二、微型Delta机器人的结构与驱动创新

1. 微型化机构的设计挑战

在微米尺度实现快速、可重复且高精度的运动，需要在以下方面同时满足条件：结构的刚度与柔性分布；驱动能量的稳定输出；减少摩擦、间隙等带来的误差；微尺度下结构稳定性的维持；传统加工与组装方法在此尺度下往往受到限制，因此一次成型的策略具有明显优势。

2. TPP 3D 打印实现微结构整体构建

美国卡内基梅隆大学联合加州大学圣地亚哥分校组成的研究团队采用双光子聚合（TPP）技术直接在光敏树脂中构建完整的Delta机构，包括三条支腿、柔性关节以及3D静电梳状驱动器。完成打印后，通过XeF₂气相蚀刻移除硅衬底，再在表面进行磁控溅射沉积薄金层，形成驱动所需的电极。由于无需人工装配，结构的整体性和精度得到了保证。

3. 结构柔性关节与3D静电梳状驱动器的协同

微型Delta机器人延续了并联机构的特点，但将传统铰链替换为柔性关节，使结构的变形完全依赖材料弹性，从而减少了摩擦影响。3D静电梳状驱动器由三组梳齿构成：两组固定梳齿与一组中间可动梳齿。通过调节电压即可形成扭矩，实现输入角度的快速变化。这使得机器人能够在体积极小的前提下保持较高的响应速度。

4. 性能实测：高频、高精度与机械输出

两种不同尺寸的机器人——microDelta-1X与microDelta-0.5X——在实验中表现出以下特点：

（1）microDelta-0.5X的共振频率可达1050Hz；

（2）在1600 Hz下运动仍保持稳定；

（3）最小轨迹误差可达0.2μm；

（4）工作空间范围约150-200μm。

团队通过“盐粒发射实验”展示了其机械输出能力，说明结构能够克服微尺度黏附力并完成能量释放，为微操作提供了实验依据。

5. 微尺度条件下的理论偏差与制造影响

研究发现，缩小后的机器人在扭矩、角位移等方面与理论模型有所差异，这与微尺度制造条件密切相关：梳状电极间隙缩小后容易出现粘附，需调整设计；柔性关节厚度受打印体素限制；金属化过程不易完全均匀；微尺度空气阻尼的影响难以完全预测。这些因素说明，理论设计在微尺度下需与工艺约束共同考虑。

三、结语

磁性微型机器人平台与微型Delta机器人分别展示了微纳机器人在体内导航与微尺度操作方面的不同研究方向。前者强调磁驱动与材料响应的结合；后者展示了微型机构与静电驱动的一体化设计。两类研究共同体现出以下趋势：微结构的一体化成型减少了装配不确定性；材料性质在运动行为中扮演越来越重要的角色；驱动方式与结构设计呈现更紧密的耦合；系统级思考逐渐成为提升性能的关键。随着微纳制造工艺、材料设计及表征技术的逐步完善，微纳机器人研究有望继续在结构复杂度、运动精度与控制方式等方面展开更深入的探索。

 参考文献

1. Fabian C. Landers, et al. Clinically ready magnetic microrobots for targeted therapies.Science. [2025-11-13]. DOI:10.1126/science.adx1708

2. Man S, et al. The microDelta:Downscaling robot mechanisms enables ultrafast and high-precision movement. Sci Robot. [2025-11-12]. DOI:10.1126/scirobotics.adx3883