杨湛
-苏州大学教授，博士研究生导师
-中国微米纳米技术学会微纳机器人分会秘书长
孙立宁
-苏州大学教授，博士研究生导师
-俄罗斯工程院外籍院士
-苏州大学机电工程学院院长、机器人与微系统研究中心主任
-苏州大学先进制造技术研究院院长
▍文章摘要
微纳机器人是特征尺寸和/或功能尺寸在亚毫米以下的机器人，分为微纳操作机器人和微纳游动机器人。随着微纳机器人20余年来的发展，为微纳制造、生物医学等领域提供变革性的研究方法与实现手段，微纳机器人融合了“自上而下”和“自下而上”的加工方法，是微纳米制造及生物体内探测等方向的制高点，已成为各国科学研究的必争之地。同时其也是美国《出口管制改革法案》管制的前沿技术。文章主要总结了微纳机器人近期重要的发展，阐述了中国学界在其中发挥的重要作用，并对其未来的发展方向与规模化应用进行展望。
▍文章速览
微纳机器人是特征尺寸和/或功能尺寸在亚毫米以下的机器人，分为微纳操作机器人和微纳尺度机器人，可为微纳制造、生物医学等领域提供变革性的研究方法与实现手段。微纳机器人是微纳米技术的集大成者，是机器人技术在微观尺度的延伸，融合了物理学、化学、材料学、生物学、机械学、信息学、控制学等多学科前沿研究。微纳米机器人在多个领域展现出重大科学意义和广阔应用前景。在信息产业中，微纳机器人主要应用于集成电路（Integrated Circuit, IC）和纳米机电系统（Nano-electromechanical System, NEMS）的制造与检测；在生物医学领域，微纳机器人较多应用于亚细胞级的细胞建模和多特性检测，辅助转基因、克隆等细胞技术的实施。此外，它们还在超微病情诊断、血管堵塞疏通、癌细胞清除及精准药物输送等方面发挥着重要作用。微纳机器人融合了“自上而下”和“自下而上”的加工方法，是微纳米制造及生物体内探测等方向的制高点，已成为各国科学研究的必争之地。微纳机器人以新型微纳米功能器件研制、生物样本多特性检测、微尺度空间探测等为研究方向，为研究生命中能量、物质转化，生物信息传导等生命机理提供有力的支撑，针对生命科学样品的具体要求，建立一个智能化、高速化及高稳定性的纳米操作环境，从而推动半自动克隆等技术的发展，为未来三维人体组织的控制制造，人体器官的制造，真正进入人体血管、组织内部探索及靶向治疗提供理论依据。
纳操作机器技术融合“自下而上”的和“自上而下”的加工方法，为纳米级三维的IC制造、微机电系统（Microelectromechanical System, MEMS）装配提供技术支持，是新一代三维功能性器件制造的关键技术，助力集成电路制造的创新发展。应用纳操作技术以DNA、染色体、细胞等生物样本的机械特性、物理特性、化学特性检测为研究对象，为研究生物工程、基因技术、重大疾病病理等提供重要的支撑，符合“面向人民生命健康”的战略部署。微纳操作技术可提供全新视角和颠覆性的研究方法与手段，纳米结构和“纳-微-介观-宏观”跨尺度装置的连接、装配和集成技术被列为美国Manufacturing the Future中纳米制造部分的重点发展方向。近年来，国家自然科学基金委员会、科技部均对此立项予以重点支持。靶向递药微纳机器人于2021年被Science列为125个国际科学前沿之一，有望为肿瘤、心血管疾病等疑难杂症提供无创、高效、低副作用的变革性精准医疗手段，是美国《出口管制改革法案》管制的前沿技术。
综上，微纳机器人是一项融合了目前为止人类所有科学技术的研究，为探寻生命的秘密，升级电子工业的制造能力，研制新药、介入人体血管消化道健康检查及药物颗粒靶向治疗等一系列应用奠定基础并提供技术支撑。鉴于此，需要针对微米纳米技术与生物学、医学等多学科交叉融合、创新发展的趋势，文章详细分析调研微米纳米技术的学科发展现状，准确把握其发展趋势，拟定出未来发展路线图，为中国微米纳米技术方向发展与调整提供技术支撑。
最近5年间，国际重要机器人技术刊物Science Robotics、International Journal of Robotics Research及IEEE Transactions on Robotics发表的微纳机器人相关研究方向，中国论文数量已经进入第一梯队，并在微纳机器人技术上逐步取得突破。其中，作为机器人技术的最高专业刊物——Science Robotics，近5年在微纳机器人相关领域共发表了42篇论文。中国科研机构作为第一单位的有9篇。微纳机器人中国发表论文占比17%，排名已位列该领域前三。作为机器人技术方面的重要期刊，美国电气电子工程师学会会刊Robots在业内有着很高的声誉。微纳机器人研究多为科学方面研究，在该领域中国学者发表论文占比37%，追平了美国，大幅度领先其他国家。International Journal of Robotics Research中，中国学者的论文占比与美国持平，达到22%，也达到了并跑水平。从三大期刊论文总数上来看，中国在微纳机器人领域发表论文略少于美国，与欧洲持平，充分说明中国微纳机器人科学方面的研究已处于与国际先进水平并跑阶段。
1.微纳操作机器人
随着纳米技术的不断发展，纳米传感器展现出了卓越的性能优势，目前纳米传感器已成为纳米器件领域的研究热点之一。现有的纳米传感器制备方法可分为两类。一类是传统制备方法，主要分为“自上而下”的制备方法和“自下而上”的制备方法；另一类是机器人化组装方法，主要通过控制微纳操作机器人来组装纳米器件。微纳操作机器人主要基于以下3类显微镜平台：第1类是光学显微镜，第2类是原子力显微镜，第3类是扫描电子显微镜。微操作机器人主要是基于光学显微镜或原子力显微镜，但是驱动结构与原理和纳操作机器人类似，微操作机器人的研究方法通常都能尝试应用于纳操作机器人。目前，国内外的研究团队在显微镜中设计并搭建了各种纳操作机器人系统，完成了多种操作任务并开发了纳操作机器人的自动化技术，取得了众多成果。
香港城市大学孙东团队提出了一种将机器人技术应用于生物细胞自动输送的光镊操作系统的新方法。该系统整合了光镊和机器人技术，并对细胞在运动过程中的动力学方程进行了分析。通过对电荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）相机图像进行图像处理，利用视觉反馈和闭环控制器实现了自动输送单个或多个细胞。同时，根据目标位置与实际位置之间的差异生成控制信号，并通过多个光镊来同步移动细胞，实现了高精度的细胞自动输送。
加拿大多伦多大学Zhang等开发了一种高精度、高稳定性的微夹具机器人系统，可用于采集和释放微物体。该系统设计了一种新型微夹具，用于拾取和放置直径在7.5~10.9 µm的硼硅酸盐玻璃球，并通过实验验证了该夹具的性能。研究团队通过视觉技术识别微夹具和微球，并检测微钳与基质的接触，利用基于视觉的比例积分微分（Proportional Integral Derivative, PID）控制器实现了微钳的全自动运动控制，从而实现了对微物体的拾取和放置操作。
南开大学赵新团队设计了一种高效细胞输送的机器人操作系统。该系统采用PID控制器对机械手和工作台进行控制，实现了高效的细胞运输。该机器人系统通过采用自动化方法批处理干细胞核移植操作，代替了人工批处理操作。通过使用这种新方法，简化了对卵母细胞的定位，节省了大量的操作时间。实验结果表明，这种新的机器人操作方法具有高效率和可重复性。
卡内基梅隆大学纳米机器人实验室Sitti团队实现了在原子力显微镜下对二维纳米颗粒的自动定位与操作。通过原子力显微镜探针尖端的接触操作，将直径为100 nm的球形金纳米粒子定位在平坦的云母衬底上。该团队还开发了一种粒子中心检测算法，通过原子力显微镜（Atomic Force Microscopes, AFM）悬臂挠度（力）信号来实时检测接触损耗，不断重复操作，直到球形金纳米粒子到达目标位置。利用这些技术方案，集成为一套自动化原子力显微镜操作系统。
哈尔滨工业大学谢晖团队基于平行成像/操纵力显微镜搭建出了基于双悬臂梁的AFM三维纳米操作系统。该系统采用多反馈的纳米夹持器实现微米尺度的三维自动化微操作和微装配。为了实现双臂自动并行操作任务，团队采用了多线程系统控制软件、动态图像处理、任务规划、双头协作和悬臂梁振幅反馈等方法。夹持器由两个尖端突出的AFM悬臂梁组成，最终实现拾取和放置微小物体。实验结果表明，该系统可用于平行操作直径约80 nm的纳米颗粒，提高了纳米操作效率。
中国科学院沈阳自动化研究所刘连庆团队利用AFM原子力显微镜研究了细胞系和原代细胞的细胞黏弹性，其中主要包括斜坡率和表面停留时间等参数。研究结果表明，细胞弛豫时间与测量过程中的参数表面停留时间和斜坡速率显著相关。该研究揭示了基于AFM的单细胞黏弹性试验中细胞对不同外部刺激的动态力学特征，这项发现可用于区分不同类型的细胞。同时，该研究提高了对单细胞动态流变学的理解，并为基于AFM的细胞黏弹性分析法鉴别不同类型的细胞提供了新思路。
基于扫描电子显微镜的微纳操作机器人可以根据电镜图像对样品进行实时操作。电镜中的微纳操作机器人具有多个自由度，因此可以实现对目标样品三维灵活操作。素有“微纳机器人之父”之称的日本名古屋大学的Fukuda（福田敏男）团队早在2003年就开发了一个具有16个自由度的纳操作机器人系统，可用于碳纳米管的拾取、原位表征等微纳操作，也可用以制备纳米器件；同时该团队又研发了基于环境扫描电子显微镜（Environmental Scanning Electron Microscope, ESEM）下的机器人化操作系统，成功对单细胞等微纳尺度活体目标进行微纳操作。该系统的操作器位于圆形导轨上，基于“纳米压痕”操作理论进行微纳操作，完成了活体细胞的切割、参数提取和筛选，实现了活细胞的三维组装。
瑞士联邦理工学院 Fahlbusch团队设计了一种集成在扫描电子显微镜中的纳米操作系统。该系统的分辨率约为5 nm，行程几厘米，可用于纳米定位、纳米操作和微夹持。该团队还研制了一种具有4个集成自由度和可交换端部执行器的压电驱动微夹持器，成功将微尺寸的粉末颗粒和碳纳米管附着在夹持器尖端。
2.微纳游动机器人
微纳游动机器人是一类能够在微小尺度上自主移动的机器人，它们在医疗、环境监测和商业应用等领域展现出巨大的潜力，其发展主要取决于驱动方式及磁驱控制系统的进步。
2.1 驱动方式
微纳游动机器人在液体环境中的运动行为主要取决于所受各外力的共同作用，这些力包括外部场施加的力、净重力、黏滞阻力，以及机器人之间的相互作用力和水动力等。目前，研究者们已经研发了一系列的推进策略为微纳机器人提供运动动力，主要分为以下3种。
1）化学驱动
该驱动方式主要是选择不同种类的燃料及其对应的催化分解方式，例如双氧水的催化反应、氢气催化生成、酶催化分解等。通过化学燃料反应生成气泡或者不对称的浓度梯度推动微型机器人运动。
2022年，Xu等开发了一种Ag聚合物所组成的纳米微机器人，简称为Janus纳米机器人。首先将TA（Tanic Acid）和F68（Poloxamer 188）作为两个构建单元进行自组装，作为顺铂（Cisplatin, CDDP）递送的纳米载体。之后，在CDDP聚合物负载的其中一侧沉积Ag纳米颗粒（Nanoparticle, NP），制备出具有不对称纳米结构的纳米机器人。该机器人主要用于将顺铂递送至体内更深处的组织部位，以及增加形成的DNA加合物的数量。纳米机器人通过对H2O2的催化分解生成大量的氧气，从而实现在肿瘤组织中的自推进肿瘤穿透。值得注意的是，顺铂可以通过级联反应提高细胞内双氧水的水平，从而进一步促进AgNPs的降解，并伴随Ag+的释放，增强顺铂的脱氯和肿瘤细胞DNA（Peritoneal Tumour DNA, ptDNA）的形成。纳米机器人诱导的深层组织渗透，以及PtDNA加合物的形成并维持增加，可以提供80%的肿瘤生长抑制，并且定点靶向治疗，极大地保护了正常细胞免受药物的“攻击”。
2014年，Gao等使用含有微锥形孔的环孔聚碳酸酯膜模板制造了聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）/Zn双层微电机。由于疏溶剂和静电效应，单体最初在膜孔的内壁上聚合，导致外部PEDOT层的快速形成。随后在PEDOT微管内恒电流沉积锌层，然后通过溶解膜模板来释放所得到的PEDOT/Zn双层微结构。该微型机器人主要应用于胃部靶向给药，所处环境为酸性，利用Zn的催化还原反应，将胃酸中的氢离子还原生成氢气泡推动机器人运动，并且在小鼠体内实验验证了机器人的生物兼容性及可行性。
2015年，Ma等使用中空介孔二氧化硅纳米颗粒（Hollow Mesoporous Silica Nanoparticles, HMSNPs）制造了自推进Janus纳米机器人。主要材料为二氧化硅与酶，通过选择刻蚀法及电子束沉积等方法制备出具有不对称结构的纳米机器人。该纳米机器人由3种不同酶的生物催化反应提供动力：过氧化氢酶、脲酶和葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase, GOx）。使用生物材料能够制备出具有生物兼容性的微纳机器人，以无毒燃料提供自推进力，可应用于生命科学及纳米医学领域。通过酶分解双氧水生成氧气、尿素分解生成二氧化碳以及合成葡萄糖等方式为纳米机器人提供自推力，其速度会受到燃料浓度、机器人尺寸及实验环境温度的影响。
2）物理场驱动
该驱动方式不同于化学驱动，主要凭借物理场从外部提供能量给机器人，如磁场驱动、光场驱动、电场驱动、超声驱动等，具有无线控制、控制精度较高及生物兼容性较好等诸多优点。同时，制备的不同种类的机器人也需要覆盖特定的材料，如入光活性材料、铁磁性材料及温控变形材料等，这样才能对施加的特定物理场做出较高的响应速度与较强的响应能力。
2022年，Chen等结合以往的癌细胞治疗研究，设计了一种应用于细胞穿透及靶向癌细胞热疗法的磁性螺旋机器人，体长为8~10 μm，游动速度最高可以达到12 μm/s。不同于直接激光写入（Direct Laser Writing, DLW）、掠射角沉积（Glangcing Angle Deposition, GLAD）等制备方法，该团队采用的是气相沉积配合物理沉积的方法制备磁性螺旋机器人，首先使用化学气相沉积，之后是Ni和Au纳米膜的物理沉积。该种制备方案能够大批量地生产所需的磁性螺旋机器人。使用五轴电磁线圈系统驱动磁性螺旋机器人，能够实现其在三维空间中的运动，辅助路径规划算法，实现复杂路径的自动控制运动。并且该机器人凭借最外层沉积的Au纳米膜，可以穿透细胞膜实现生物传感功能。此外，纳米机器人还展示了对靶向癌症细胞进行有效光热治疗的能力，抵达指定目标位置后，施加808 nm的激光照射10 min便可以达到49 ℃，满足了光热治疗（Photothermal Therapy, PTT）的温度要求，提供了一种新的治疗癌症的手段。
2022年，Chen等结合以往肿瘤治疗方式的分析与研究，设计了一种由预载碳酸氢铵的光热活化分解驱动的自燃料纳米马达。首先使用乳液聚合合成了直径约为320 nm的单分散聚苯乙烯纳米颗粒，之后使用改进的Stoüber方法在聚苯乙烯纳米颗粒上生长一层厚度约为17 nm的中孔二氧化硅（mSiO2）壳。随后，煅烧除去聚苯乙烯，获得了直径为（337±13）nm的HMSNPs。之后涂上一层碳酸氢铵和聚多巴胺的复合层，最后再溅射金属层，该机器人具有清晰的中空结构、介孔壳和良好的分散性。在808 nm近红外激光的照射下，Au纳米层和聚多巴胺壳层产生的光热效应会导致预载燃料碳酸氢铵的分解从而产生机器人的驱动力，而机器人群的自推进行为能够增强对血管的穿透和积累，这有利于增大载药纳米马达在病变肿瘤部位的积累量，从而能够有效地治疗肿瘤。
2020年，Xiao等研发设计了一种微型机器人，能够通过光场、电场以及两者的混合场驱动机器人的运动。首先通过模板涂布法（以3 μm微球为核心）合成直径约为3 μm的TiO2微球，然后在半个球体上溅射Pt。通过堆叠两片导电铟锡氧化物载玻片，并在其间放置一个垫片，构建了电场驱动的实验平台。施加最大场强为~10 V/200 μm或5×104 V/m的交流电场，频率通常在1~100 kHz。由于外部施加的电场引起的电荷，可极化材料，在其表面产生电渗流。同时，TiO2（Pt）微球的两个半球在电场中的极化非常不同，因此感应电荷电渗在两个表面上的大小不同，从而产生使颗粒向前移动的不对称流动。这种推进机制称为感应电荷电泳，其具有响应速度快、方向可控性等优点，在微操作领域有着极大应用前景。
2016年，Esteban-Fernández de Ávila等设计了一种超声驱动的纳米机器人，首先将携带有小干扰RNA（Small Interfering RNA, siRNA）的DNA链通过滚环扩增技术缠绕在金纳米线（AuNW）上形成纳米机器人。主要研究了纳米机器人的运动、siRNA剂量对加速siRNA递送和沉默反应的影响，在用超声推进的siRNA-AuNWs处理几分钟后，沉默率达到94%，证明了基于纳米机器人的基因沉默方法的能力，为未来基因领域的微操作提供理论支持与实现手段。
2021年，Cholakova等受到生物界微生物利用弹性在低雷诺数环境下打破运动的时间翻转对称性策略的启发，设计一种能够自组装驱动的微米机器人。该机器人主要由烷烃液滴配合表面活性剂制备而成，由温度变化引起的表面相变进行驱动。当温度升高时，机器人则会收缩尾巴进行充电蓄力；当温度下降时，机器人则会快速喷射出尾巴，依靠时间的不对称性实现机器人的净运动。这种温度场控制的自组装微米机器人为微纳机器人的驱动控制提供了新的探索方向。
3）生物驱动及生物杂交驱动
生物界中存在着诸多的微观生物能够自主运动，如杂交脂质体、精子、藻类微生物及趋磁细菌等。通过将这些微生物结合现在的制造技术，能够制备出拥有特定功能的微型机器人，具有生物兼容性好、驱动效率较高及易于实现特定功能等诸多优点。
2020年，Buss等设计了一种将鞭毛大肠杆菌与红细胞杂化制成的纳米脂质体机器人。主要通过将基因工程驱动的大肠杆菌MG1655基质和由红细胞膜制成的纳米红细胞体组合而成。纳米红细胞体通过生物素-链霉亲和素-生物素相互作用在细菌膜上进行功能化。纳米红细胞膜通过用生物素分子对TER-119抗体进行功能化而被生物素化，而大肠杆菌MG1655被生物工程化以在其膜上表达生物素附着肽，且生物素分子直接结合在其膜表面。制备的机器人的尺寸为5~7 μm，在二维平面上有着较高的移动速率，最高可达20 μm/s。该研究还分析了人体中存在的天然的生物激励器，通过杂化等手段组成主动式货物输送系统，有望在难以到达的身体部位彻底改变各种医疗操作，包括药物输送和癌症治疗。
2020年，Xu等为了克服以往微电机表现出的低推动力，以及难以在高流量和具有复杂成分的血液中流动等问题，研发设计了一种混合精子微电机，主要由精子帽（直径约为5 μm）和精子组合而成。该机器人在血液中的游动速度为59~93 μm/s，它可以主动对抗流动的血液（连续和脉动），并执行肝素货物输送的功能。在该种经过生物杂交形成的系统中，精子鞭毛主要负责提供较高的推进力，组合而成的微观结构用于磁性引导和货物运输。同时，单个精子马达可以在磁化后组装成火车状载体，允许将多个精子或医疗货物运输到感兴趣的区域，作为潜在的抗凝血剂治疗循环系统中的血栓或其他疾病。
2020年，Akolpoglu等为了克服医用生物混合微纳机器人产量低而无法大规模使用的问题，该设计研发出一种生物杂交策略，即在运动的微生物周围非共价组装一层薄而柔软的均匀涂层。该设计使用莱茵衣藻（一种单细胞绿藻）作为生物模型微生物，以聚合物-纳米颗粒基质为合成成分，生产效率高达90%。天然生物聚合物壳聚糖用作黏合剂，用纳米颗粒有效地覆盖微藻的细胞壁。柔软的表面涂层不会损害藻类微生物的生存能力和趋光能力，并允许进一步的工程来容纳生物医学货物分子。此外，通过可光切割的连接体将包埋在薄涂层中的纳米颗粒与化疗药物阿霉素偶联，将药物按需递送到目标肿瘤细胞处，最大的游动速度可达109 μm/s。这种大批量生产混合生物微纳机器人的策略可以为新一代微型机器人群的未来医疗主动货物交付任务提供借鉴。
2022年，Xiao等研究开发了一种将生物相容性细菌与纳米颗粒进行生物杂化得到的细菌驱动纳米机器人Bif@DOX-NPs。该机器人使用的是厌氧婴儿双歧杆菌（Bif）作为驱动源，从而将阿霉素（Doxorubicin, DOX）负载的牛血清白蛋白纳米颗粒输送到乳腺肿瘤中。该机器人保留了婴儿双歧杆菌对缺氧区域的靶向能力及DOX的细胞毒性。生物杂交体能够主动定植于缺氧肿瘤，并显著增加肿瘤部位的药物积累。通过该机器人传递至肿瘤部位的DOX浓度是游离状态的4倍，显著将带肿瘤小鼠的中位生存期延长至69 d，并减少DOX的毒性副作用。因此，基于厌氧细菌的生物杂交体是一种非常有前途的工具，可用于靶向治疗缺氧区域难以接近的实体瘤等。
2022年，Akolpoglu等设计了一种细菌生物杂交体，由携带微/纳米材料的自推进细菌组成，可以在磁性控制下将药物输送到特定区域。该机器人在推进、有效载荷效率、组织穿透和时空操作方面表现优良，能够实现三维生物基质中的靶向定位和多刺激响应药物释放。将负载光热剂、化疗分子的磁性纳米颗粒及纳米脂质体以约90%的效率整合到大肠杆菌上，能够在磁场下穿过生物基质并定殖肿瘤球体，通过近红外刺激按需释放药物分子，为不同的医疗应用提供刺激响应疗法。
综上所述，目前主流的微纳机器人的驱动策略均已得到较为广泛的研究与应用。①化学驱动主要凭借化学反应生成氢气、氧气等气泡推动机器人的运动。一种是机器人自身与环境燃料反应，虽然机器人的响应速度快，但是寿命短；另一种是作为催化剂，催化燃料产生氧化或者还原反应，能够极大地增强机器人的使用寿命。然而，化学反应的燃料不可避免地会对人体产生有害影响，具有较低的生物兼容性，且控制精度较低、方向性较差。②物理场驱动具有无线操控、使用寿命长及控制精度高等诸多优点。磁场驱动生物兼容性高、体内穿透性强，可以实现对磁性机器人的高精度三维控制且不会对人体造成伤害，但是工作空间大小受限于磁场强度。光场驱动响应快、驱动速度高，但是其缺点也很明显，例如无法穿透人体实现机器人的控制。超声控制能够穿透人体且生物兼容性强，但控制精度较低。电场驱动控制方向性好、精度高，但其控制速率较低，实际应用性较差。③生物驱动主要是利用生物界中的微生物自驱动或者是微生物杂交驱动。相较于其他的驱动方式，该驱动的生物兼容性更好，但是控制精度较低。因此，每一种驱动方式都有各自的优缺点，基于实际应用场景的需求选择合适的驱动方式，可以达到事半功倍的效果。
2.2 磁驱控制系统
由于磁性微纳机器人非高度集成化的机械结构，使其只有执行机构，为此需要专用的磁驱系统作为外部驱动设备。磁驱系统主要分为两大类：一类为基于永磁体驱动的系统，主要是通过永磁体产生的梯度场的拖动，外加外部机械手臂的协同作用实现；另一类为电磁铁驱动，该方式较为有效，可以依据算法计算出所需电流的大小，通过电磁铁生成所需的旋转磁场或梯度场，这样不仅可以控制机器人的移动，还可以控制其旋转。相较于电磁铁驱动，永磁体驱动的优势在于没有较大的电流，不存在电流热效应，驱动系统具有较长的工作时间，但是其控制方式较为简单。
永磁体驱动系统还可以分为单一永磁体和多永磁体。该驱动系统由驱动电机、机械手臂及永磁体组成。永磁体生成特定方向的、固定场强的梯度场，机械手臂由驱动电机驱动移动改变永磁体的方向，从而改变磁场的方向。该装置产生的磁场梯度为3 T/m。
永磁体的磁场产生装置共有8个永磁体，位于正方体的定点。每个永磁体配有一个电机和一个机械臂，机械臂用于调整永磁体的位姿，电机则通过旋转永磁体生成旋转磁场，生成的平均磁场强度为25 mT，旋转速度为2 rad/s。
电磁铁驱动系统可以分为成对线圈驱动系统和分布式电磁铁驱动系统。成对线圈亥姆霍兹线圈驱动系统，通常向3对线圈中通入正弦电流，便可以得到可控的旋转磁场，频率为2~3 kHz；但是其生成的磁场强度较弱，仅有10~25 mT/m。
2015年，Diller等设计了一种具有六自由度的分布式电磁铁驱动系统。该系统主要由8个电磁铁线圈组成，在每个线圈中加入了铁氧体，从而能够极大地增强磁场强度。虽然这会导致生成的磁场不均匀，但是假设每个电磁铁均在限行工作范围内，还能够将多个电磁铁的作用线性叠加。该系统的最大工作频率可达2 kHz，工作空间中心区域最大磁场强度为20 mT。
综上所述，单一永磁体驱动系统有着较大的磁场强度，但是无法生成较好的旋转磁场；多永磁体驱动系统能够生成旋转磁场，但是频率受限于驱动电机，无法生成较高频率的旋转磁场并且无法生成梯度场。成对线圈驱动能够生成很均匀的旋转磁场，但是磁场强度较弱且不能生成梯度场；分布式电磁铁驱动系统能够生成较强的磁场，梯度场与旋转场共存且能量转换效率高，但是工作空间小、发热量大，无法实现长时间工作且三维运动控制达不到理想的效果。然而，考虑机器人应用场景的复杂性，分布式电磁铁驱动系统仍是磁性微纳机器人的首选驱控系统。
3.发展趋势
3.1 微纳操作机器人的发展趋势
对于微纳操作机器人，其系统的构筑比工业机器人的设计更为复杂，涉及的研究领域也更为广泛。随着微电子技术、生物技术的发展，微装配和微操作技术的重要性日益显现。过去10年内，微装配和微操作技术得到了长足的发展，但目前对有关理论和应用的研究还远远不够，在机器人运动学实时标定与测量、显微视觉伺服控制、控制理论方法、新材料、驱动等方面仍存在诸多问题尚未得到完全解决。未来的发展方向应当是融合微电子、材料、精密机械、精密测量、自动控制、机器人、计算机等多学科技术来解决微观领域的问题。基于视觉伺服的微纳操作机器人控制将是微纳操作机器人研究新课题，旨在最终实现微纳操作机器人的可靠自主操作目标，同时具备操作简单、精度高、控制方便、工作可靠、生产成本低等优势。
由于面对的操作对象不同，研制的微纳操作机器人系统不可能完成所有的显微操作。部分操作可能更适合于采用电学、化学，甚至手工方法完成。微纳操作机器人系统的各单元应刚性连接。为了减少积累误差，增强系统抗振能力，减少标定测量次数，系统各单元应以显微镜视野为分布中心刚性地连接一起。显微镜的视野是一定的。为了充分利用有限的空间，避免机器人在工作空间边界附近出现可操作性、灵活性差的情况，左右微操作手的工作空间应该比显微镜的视野范围大。在系统安装调试时，机器人及相关周边设备应以视野中心分布，保证操作工具的端部与视野中心重合，并在视野内运动操作。对于微纳操作机器人，其多在以分子自组装为代表的“自下而上”、微制造为代表的“自上而下”制造方法的作业极限空间外开展一系列基础和应用研究，并可有效结合这两种制造方法，为未来微纳制造提供新的理论、方法和技术。
3.2 微纳游动机器人的发展趋势
微纳游动机器人由于自身尺度优势，可以轻松进入狭小地方作业，如生物体内的腔道（胃肠道、尿道、支气管等）或血管内，在体内靶向药物输送和监测上具有非常大的应用潜力，未来有望成为精准医疗的主力。靶向药物输送可以把药物集中在病灶部位，有效地避免药物对身体其他部位的副作用，同时医生能够精确控制药物的作用位置与剂量。微纳游动机器人在靶向治疗的应用上，仍面临着许多挑战。例如，微小型机器人材料的生物相容性、可降解性问题；微纳游动机器人的体内影像追踪问题，微小型机器人的精准控制问题。在靶向治疗的应用中，最主要仍是微纳游动机器人个体存在能力有限、执行效率低的问题，使得单个微纳游动机器人无法实现药物大剂量的靶向输送，不具备杀死病灶附近病毒或细菌的能力，距离最终实现疾病治疗的目标相去甚远。与自然界中存在的群体行为类似，微纳游动机器人的群体不仅可以保持个体的灵活性，还会涌现出一系列新特性并赋予微纳游动机器人更加强大的功能，如更大的带载能力、更灵活的形态变化、更高的执行效率等。这些能力的提升使得微纳游动机器人可以在复杂环境中完成更加艰巨的任务，这是解决以上问题的关键所在。目前，要实现微纳游动机器人群体的不同模式涌现、转换和运动控制，仍然具有很大的挑战性，需要借助创新的物理原理和群体响应机制。微纳游动机器人的集体行为源自个体之间的基本交互作用和可调节的交互作用提供了不同环境下群体形成、导航和模式转换的机制。由于微纳游动机器人外部驱动方式的不同，机器人个体之间的交互作用也不同，因而将会涌现不同的集群行为。
4.发展建议
伴随着微纳加工手段的逐步发展，新兴材料的批量生产推动了MEMS的飞速发展，微电子系统已经逐步发展到纳电子系统。由于这些纳电子系统的体积不断缩小、精度不断提高，进而接近传统加工物理极限，所以要运用新的组装方法与新兴材料去突破这一瓶颈。纳米技术是在0.1~100.0 nm尺度内研究微粒的运动规律和特性的技术，这一重要的科学技术推动了21世纪人类社会节能降耗、绿色环保、健康生活方式等的发展；同时也推动超高精度纳米传感器、纳米无线电通信、纳米晶体管及纳米马达等纳米器件的发展。随着纳米科技、微纳电子系统及微纳米操作系统的逐步发展，这些技术从传统的组装业向各个领域不断渗透，这使纳米尺寸的传感器件的研制成为可能。近年来，纳米尺寸的传感器逐渐成为微纳电子器件研究的热点之一，引起了许多国家的重视，在大量科研基金和科研工作者的推动下得以快速发展。
微纳机器人科学与技术现今存在以下重大技术挑战。
（1）基于智能材料的高功率自重比的高性能驱动原理与实现方法，基于外部物理场的能量传输与高效转换机制，基于人体运动、血流运动的生物能转化机制与微纳米发电机的实现等。
（2）面向生物体内狭小空间作业的移动、检测与操作送药等微纳米结构新原理、优化设计、生物兼容制造理论与方法等。
（3）纳米操作机器人自主控制原理、多机器人高速协调控制机制，以及三维纳米器件制造新原理、新方法。
（4）DNA、染色体、细胞等生物样本的机械特性、物理特性、化学特性的高通量高速检测。
（5）微纳机器人介入类生理环境感知、自我状态感知与信息传送机制，微纳机器人对微纳制造及生物监测中环境感知、多信息融合及信息传送机制。
（6）类生理小尺度空间内微纳机器人与生物细胞的相容性及相互作用，微纳机器人操作下细胞行为学规律，微纳机器人对细胞的筛选及定点输运。
面向微纳机器人的重要应用前景与巨大挑战，建议在学科交叉融合、复合型人才培养、国产关键装备及政策扶持应用方面开展顶层设计。在学科交叉融合方面，微纳机器人技术是工程材料、信息科学、物理、化学、生物及医学等学科相互交叉的一门科学与技术。各个学科对同一个研究内容有着不同定义及内涵。例如，在工程材料与信息学科命名的微纳尺度机器人在化学学科命名为胶体马达，在生物及医学学科命名为靶向药物等；基于探针显微镜和电子显微镜的微纳操作机器人系统，在物理学科基本理解为简单的科学仪器。另外，由于各学科的壁垒，亟待建立跨学科平等交流平台，交互各个学科对于微纳机器人技术的需求，带动微纳机器人技术的发展。一方面，微纳机器人科学与技术十分依赖物理学与化学在微小尺度上驱动、感知新原理上的突破；另一方面，也亟待在生物医学上打开应用的突破口。通过两方面的推动开展新系统开发以及新的控制方法研究。因此，开展顶层设计，建立一个能够平等开放的学科交流交叉机制尤为重要。
在关键仪器与装备研发方面，微纳机器人面向微尺度环境，观测仪器主要为各种探针显微镜与电子显微镜。微纳游动机器人的成像系统基于超声及计算机断层摄影术（Computed Tomography, CT）等关键科学仪器，以及相关化学试剂与生物制剂等。因此，也亟待重视、加强国产关键仪器与装备的研发。
在人才培养方面，针对微纳机器人技术的跨学科特性，现有的本硕博培养方案难以直接培养出与之相匹配的复合型人才。以博士生培养为例，高校并不具备执行跨学科交叉的博士生研究题目的条件。当前的教学体系主要基于经典科学与技术构建，而微纳机器人科学与技术则要求深入探索小尺度物理特性，掌握微小结构的多种加工与合成方法，并理解人体生命环境、细胞培养、医学治疗等复杂领域。这些跨学科知识在现有课程体系中往往难以全面覆盖，导致难以批量培养出具备综合能力的复合型人才。鉴于此，建立新的、获得国家认可的人才培养机制变得尤为迫切，需要进一步通过优化课程体系、增强实践教学、搭建跨学科研究平台等方式，为学生提供更加全面、深入的学习与研究环境，从而有效培养出一批适应微纳机器人技术发展的人才。
5.结束语
微纳机器人作为微纳技术的集大成者具有巨大的发展潜力。微纳机器人为未来三维人体组织的控制制造、人体器官的制造，以及真正进入人体血管、组织内部探索和靶向治疗提供了理论依据。从近5年微纳机器人顶级学术期刊发表论文数量来看，当前中国已处于全球微纳机器人研究的第一梯队，已在用于细胞操作的微纳操作机器人、磁控微纳游动机器人等方面取得了一定成果，为新药研制、介入人体血管及消化道开展健康检查和药物颗粒释放的靶向治疗等一系列应用奠定了基础，并提供了技术支撑。未来，通过计算机视觉、新型磁控材料与对微小型磁性物体影像追踪设备等的研发，并在此基础上进一步发展可视化微纳操作技术与磁控微纳游动机器人生物体内靶向给药技术，能够解决微纳操作实时性与效率低，以及微纳游动机器人体内影像追踪的问题，实现微纳操作的实时控制与微纳游动机器人的无创治疗，推动中国微纳机器人科学与技术的研究居于世界领先地位。