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科幻電影中經常出現將微型機器人植入人體，並對人體進行控制或者改造的情節。如今，這種場景或可真正發生在現實生活中。
近日，來自中國科學技術大學的吳東和李家文團隊以及香港中文大學的張立團隊聯合在《ACS NANO》上發表了一項題為“Environmentally Adaptive Shape-Morphing Microrobots for Localized Cancer Cell Treatment”的研究。
研究者們利用pH響應水凝膠設計和製作了一種微型結構，改變環境pH可以調控水凝膠膨脹程度，在水凝膠微型結構修飾磁性材料可使其具有磁感應效能，可以利用磁場來驅動水凝膠微型結構的位置變化。
01
奈米機器人可用於
腫瘤細胞區域性治療
此前，科學家已經制造出可以操縱微小物體的微型（小於 100 µm）機器人，但大多數機器人無法改變它們的形狀來執行復雜的任務，例如釋放藥物。
為此，該研究團隊透過一步法4D列印技術製備水凝膠微型魚結構，在pH小於9時，水凝膠膨脹程度減小，使魚鰭收縮，在微觀結構上表現為水凝膠空隙由500nm減小為200nm。類似的，水凝膠微型螃蟹結構被設計成了蟹鉗的收縮現象。
之後，為了使這種微型結構具備磁感應能力，研究者們利用奈米顆粒修飾了水凝膠微型結構。透過控制pH，這種水凝膠微型螃蟹結構的蟹鉗可以由2微米張開到14微米。在pH大於9時，貨物進入張開的蟹鉗中；調節pH小於9，蟹鉗夾住（裝載）貨物，在磁場中移動到目的位置後，調節pH張開蟹鉗釋放貨物，就完成了整個過程。
為了在生理環境中應用，研究者們設計了以pH7.4為臨界值的水凝膠微型小魚。微型小魚（嘴）裝載阿黴素（DOX）後加入PBS，水凝膠發生膨脹封裝DOX，運動到目的位置後，調節pH小於7.4，水凝膠收縮張開封口釋放DOX，殺死Hela細胞（一種癌細胞）。這種微型小魚的運動軌跡由外加磁場控制。與對照相比，裝載DOX並且順利釋放DOX的微型小魚附近的Hela細胞明顯被殺死（死細胞染色呈紅色）。
此外，研究者們還在人造血管的環境中驗證了水凝膠微型小魚的功能。使用光刻和PDMS模塑製作人造血管，並用磁驅微型小魚對區域性的HeLa細胞進行處理。與對照相比，微型小魚區域性的DOX濃度隨時間越來越高，對Hela細胞的殺傷也越來越明顯。
結果顯示，隨環境變形的磁驅水凝膠微奈米結構（奈米機器人）實現了微觀上區域性藥物(DOX)包封和可控釋放。不僅如此，它們還可以改造用以操作或者保護各種分子，比如容易被破壞的藥物分子和多肽藥物等。因此，微奈米機器人技術在腫瘤治療、幹細胞移植、活體生物感測等方面有著巨大的研究潛力。
02
奈米機器人可解決
生物醫學領域多個難題
奈米機器人是機器人工程學的一種新興科技，是根據分子水平的生物學原理，設計製造可對奈米空間進行操作的功能分子器件。奈米機器人這一概念最早由諾貝爾獎得主、理論物理學家理查德・費曼於 1959 年提出來的，他當時提出把奈米機器人植入人的體內進行疾病治療。
用於疾病診療是奈米機器人最早提出的緣由，也是大家最容易想到的應用。以腫瘤治療為例來簡單說明奈米機器人實現應用的過程：腫瘤組織會產生標靶訊號（比如 pH 降低、雙氧水過度表達等），標靶訊號形成濃度梯度。接下來，根據這個濃度梯度場，匯入人體內的奈米機器人可找到標靶的位置，然後透過富集、深層組織穿透，並釋放藥物，殺死腫瘤。
除了殺死腫瘤、腸道感染治療等生物醫學方面的應用，奈米機器人還有很多潛在的應用。比如進行奈米加工，利用小型奈米機器人進行晶片加工；再比如，將奈米機器人散佈到汙水中，進行環境治理。
不同的應用方向，對奈米機器人的效能要求不盡相同，在生物醫學方面要求是最高的，涉及對生物毒性的要求、對周圍環境適應性要求等；奈米加工則要求較高的精密操控；環境治理則是需要可大規模製備，對成本敏感度高。
經歷了 60 多年的發展歷程，奈米機器人的夢想正在一步步變成現實。
區別於日常生活中所看到的宏觀尺度機器人，微奈米機器人由於具有非常微小的尺寸，以及很好的運動可操控性，因而可以以微創甚至無創的方式進入人體內一些狹小和常規醫療方法難以到達的組織和器官中，對諸多疾病的治療具有巨大的應用前景。
為了得到一個微奈米尺度的機器人，通常需要考慮以下四個方面：(1) 微奈米機器人的成分和結構，生物相容性和生物降解性；(2) 微奈米機器人的功能化，如我們可以在機器人上裝某些藥物、蛋白質、熒光染料等等來實現某些應用上或者是在定位上的功能；(3) 微奈米機器人的驅動控制，如磁、光、超聲等不同的能量形式；(4) 微奈米機器人在用於體內時的追蹤手段，比如在淺層組織內，可以用熒光成像追蹤，而在深層組織或器官內，則可以採用超聲成像或是磁共振成像等技術。
在充分的考慮到上述幾方面的因素後，可以利用微奈米機器人技術來解決許多生物醫學領域的難題。相比於被動擴散的膠體粒子或奈米載體，微奈米機器人具有更好的主動性，有利於最佳化和增強載體在病灶部位的定向富集。
03
奈米機器人迎來千億市場
近年來，研究人員對如何將電子器件微型化以生產細胞大小的機器人產生了日益濃厚的興趣。得益於電子、磁性和光學系統的技術突破，單單研發一種小體積、低成本、低功耗的機器人並不難。
目前對奈米機器人的未來市場，包括微生物奈米機器人、呼吸細胞奈米機器人、凝血細胞奈米機器人、細胞修復奈米機器人、及醫療應用，包括奈米醫學、生物醫學、機械應用、領先公司和地區的市場潛力的預測期已經到2023年。
據針對多個相關奈米機器人的垂直行業，其市場發展和前景進行的回顧和研究，發現在預測期內，全球奈米機器人市場規模預計將達到1000億美元，複合年增長率為21%。機器人技術的突破性發展有望為奈米機器人創造有利的需求。
其中，北美地區是奈米機器人的主要市場，其符合年增長率預計為12.2%，此前相關預測資料顯示，從2016年到2020年，奈米機器人的市場將從550億美元增加至730億美元，用奈米機器人進行外科護理和治療患者因素的意識正在推動北美地區的市場。
而亞太地區預計將是奈米機器人增長最快的市場。由於這項技術的應用需要醫療機構的大量資金投入，同時也需要加強對員工的培訓，因此印度在這個市場上可能會逐漸繁榮起來。大多數醫院主要致力於為病人提供初級保健。中東和非洲地區的市場也顯示出強勁的增長。
而在國內市場，從應用領域來看，我國醫療機器人的應用需求逐漸增加，以康復機器人為主的手術機器人已得到較為廣泛的應用。此外，在手術機器人、康復機器人的基礎上，進一步湧現了物流、配藥、採血、膠囊等多種型別的輔助機器人和服務機器人。整體來看，康復機器人佔的比重約為41%，輔助機器人為17%，手術機器人為16%。
當前，手術機器人應用越來越廣泛，且微創式手術正成為行業的發展趨勢。利用微奈米機器人，可以更好地實現精準醫療。實現精準醫療有兩種手段，一是使用機器人的物理手段，精準去除腫瘤;二是利用微控和生物手段，將機器人技術和單細胞分析技術相結合，使細胞的抗原與藥物抗體之間產生反應，以殺死癌細胞。
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傳統的機器人幫助人類工作，微奈米技術則能夠拓展人的能力。若能將機器人技術與醫藥研發技術相結合，未來50年內，微奈米機器人能夠帶動機器人行業的迅速發展。
目前，中國已有大量醫療機器人新興企業，但大多為代工廠，創新能力相對欠缺。不過，未來若奈米機器人能真正運用到臨床領域，實現規模化應用，醫療機器人市場規模或將超過汽車機器人。
