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作者

劉軍民、莊仁誠、周德開、常曉叢、李隆球

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機構

哈爾濱工業大學

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Citation

Liu J M, Zhuang R C, Zhou D K, Chang X C, Li L Q. 2024. Design and manufacturing of micro/nanorobots. Int. J. Extrem. Manuf.6062006.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad720f

撰稿 | 文章作者

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文 章 導 讀

微納機器人在生物醫療、環境修復和微制造等前沿領域擁有廣闊的應用前景。作為一個典型的交叉學科，微納機器人在材料、結構、工藝、功能和應用等方面具有豐富的內涵。雖然已有多篇優秀的綜述文章總結了這些方面的最新進展，但大多側重于微納機器人的推進機制、結構或應用，而較少關注其設計和制造過程的基本科學框架。近期，哈爾濱工業大學機電工程學院、機器人技術與系統全國重點實驗室的李隆球教授、周德開教授、常曉叢副教授、劉軍民博士生、莊仁誠博士生在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《微納機器人的設計與制造》的綜述，從設計與制造方法維度審視微納機器人，提出了“以微納機器人功能/性能為導向的一體化設計與制造策略”，系統闡釋了綜合考慮材料、界面、結構、功能/性能的微納機器人耦合設計方法，以增材制造為核心輔以等/減材制造的復合制造方法，并從微納機器人設計、制造、檢測等方面展望了未來發展方向和科學框架，為以微納機器人等代表的功能器件一體化設計與制造提供了新的視角。

關鍵詞

微納機器人；功能結構；設計；制造

亮 點

• 總結了微納機器人的材料-界面-結構-功能/性能耦合設計方法

• 綜述了微納機器人的制造方法

• 討論了微納機器人功能結構的增/等/減材復合制造方法

• 提出了微納機器人在設計、制造和檢測三方面的未來發展方向

圖1微納機器人的耦合設計與復合制造方法

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研 究 背 景

微納機器人能夠將環境中其他形式的能量轉化為自身動能，并能在液相介質中執行傳感、貨物運輸和微操作等任務，因此在生物醫療、微納制造和環境工程等領域展現出巨大的應用潛力。在過去十年里，微納機器人在材料、驅動、控制和制造技術方面取得了顯著進展。從金屬、聚合物到生物材料等各種材料已被應用于具有不同功能的微納機器人中。與此同時，化學場、超聲場、光場、電場和磁場及其混合場在微納機器人的驅動和控制中發揮著重要作用。多種制造方法的不斷發展進一步推動了微納機器人的進步。盡管微納機器人種類繁多，但它們普遍具備運動性、可控性和負載能力這三個核心功能，這些功能是微納機器人執行各種任務的基礎。實現這些功能的程度被稱為“性能”，它在很大程度上決定了微納機器人執行任務的效率和質量。因此，設計和制造高性能微納機器人已成為迫切需求。

為了在復雜動態環境中導航并完成任務，高性能微納機器人通常需要具備多材料（如金屬材料、智能材料、復合材料）、復雜結構（如非對稱結構、剛柔耦合結構、可變形結構），并在微納尺度上集成多種功能（如運動、可控、貨物運輸）。然而，這些需求給高性能微納機器人的設計和制造帶來了諸多挑戰。首先，由于多材料分布、表/界面特性和跨尺度結構特征對微納機器人性能的復雜影響，傳統串行設計策略難以實現高性能微納機器人的有效設計。其次，單一制造技術難以滿足高性能微納機器人復雜多材料三維結構的高度集成制造要求。為了解決這些問題，材料-界面-結構-功能/性能耦合設計方法和增/等/減材復合制造方法成為突破高性能微納機器人設計和制造難題的關鍵。在本文中，李隆球教授等人提出了“以微納機器人功能/性能為導向的一體化設計與制造”這一概念，對微納機器人設計與制造的最新進展進行了詳細介紹。

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最 新 進 展

最新進展主要分為兩個部分：耦合設計方法與復合制造方法。首先，微納機器人的設計已從材料、結構、功能的孤立、串行設計發展到綜合考慮材料、界面、結構和功能/性能的耦合設計。另外，各種增/等/減材復合制造方法已廣泛應用于微納機器人的功能結構制造中。

耦合設計方法以功能需求和功能實現為核心，將材料-功能一體化設計、界面-性能一體化設計和結構-性能一體化設計相結合的耦合設計方法，克服了微納機器人在低雷諾數環境和微納尺度下快速運動、靈活控制和高效裝載等難題。通過優化材料、界面和結構的相互關系，這種設計方法為開發具有高環境適應性、優異穩定性和功能多樣性的高性能微納機器人提供了新的途徑和突破口。圖2展示了基于材料-界面-結構-功能/性能耦合設計的微納機器人典型案例。

圖2（a）Ir/SiO2 Janus化學驅微納機器人；（b）具有多種運動模式的Fe3O4 NPs集群；（c）基于埃洛石納米管的高負載微納機器人；（d）具有超疏水表面的超快管狀微納機器人；（e）利用靜電相互作用增強負載能力；（f）Pt與TiO2界面電子轉移增強運動性能；（g）磁驅動螺旋狀微納機器人；（h）表面微結構增強運動性能；（i）可在復雜環境中導航的液體微納機器人。（a）經許可轉載。版權所有（2014）美國化學學會。（b）經許可轉載。版權所有（2022）美國化學學會。（c）經許可轉載。版權所有（2021）美國化學學會。（d）經許可轉載。版權所有（2016）The Royal Society of Chemistry。（e）經許可轉載。版權所有（2022）美國化學學會。（f）經許可轉載。版權所有（2020）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（g）經許可轉載。版權所有（2023）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（h）經許可轉載。版權所有（2018）美國化學學會。（i）經許可轉載。版權所有（2020）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。

復合制造方法與宏觀尺度上主要采用減材制造不同，微納機器人更多依賴于以增材制造為核心的增/等/減材復合制造方法來構建其功能結構。以棒狀功能結構為例，根據材料分布的不同方式，棒狀微納機器人可分為徑向多材料型和軸向多材料型，如圖3所示。通過靜電紡絲技術與冷凍切割技術的結合，可實現徑向多材料型棒狀微納機器人的長徑比定制化制造。模板輔助電沉積與濕法化學腐蝕的結合，為制造軸向多材料型棒狀微納機器人提供了巨大潛力，特別是利用該方法制造的柔性棒和一端凹陷的棒，均可顯著提升棒狀微納機器人的運動性能。

圖3（a）微流體合成結合冷凍切割技術制造徑向多材料型棒狀微納機器人；（b）模板輔助電沉積結合濕法化學腐蝕制備軸向多材料型柔性棒狀微納機器人；（c）模板輔助電沉積與濕法化學腐蝕結合制造超聲驅軸向多材料型棒狀微納機器人；（a）經許可轉載。版權所有（2021）美國化學學會。（b）經許可轉載。版權所有（2016）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（c）經許可轉載。版權所有（2013）美國化學學會。

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未 來 展 望

以功能/性能為核心的材料-界面-結構-功能/性能一體化設計與增/等/減材復合制造方法有助于開發多功能/高性能微納機器人，預計在生物醫學、環境修復、微納制造等各種潛在應用中發揮重要作用。為了應對未來的應用需求，微納機器人發展的預期趨勢主要集中在設計、制造和檢測三個方面。在設計階段，基于人工智能的材料-結構-功能集成設計系統將突破研究人員經驗性和主觀性設計的局限，提升多信息處理能力。在制造階段，多尺度/多材料增/等/減材復合制造工藝和裝備將避免分步制造方式所帶來的功能/性能失效風險。在檢測階段，對微納機器人的功能和性能進行測試和評估將顯著提高設計和制造微納機器人的準確性和可靠性。此外，這三個階段并行協作，并通過實時數據傳輸實現信息互通，從而推動微納機器人研發過程中全流程的信息融合與智能優化。該文設想的包括人工智能設計系統、復合制造裝備和原位檢測系統的集成系統，如圖4所示。

圖4人工智能設計系統、復合制造裝備和原位檢測系統的集成系統示意圖。

Direct 4D printing of functionally graded hydrogel networks for biodegradable, untethered, and multimorphic soft robots

可降解無約束多態軟機器人功能梯度水凝膠網絡的直接4D打印

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DOI:https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad1574

Triboelectric 'electrostatic tweezers' for manipulating droplets on lubricated slippery surfaces prepared by femtosecond laser processing

飛秒激光制備用于操控潤滑表面液滴的摩擦“靜電鑷”

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DOI:https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad2cdf

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿:作者 編輯：梁煜 范珂艷 審核：關利超

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