【综述】张立/郭志光/王奔等AM：表界面效应对微型机器人功能和应用的影响- 大数跨境

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2022-10-27

导读：深圳大学王奔博士、香港中文大学张立教授、湖北大学郭志光教授、布尔诺理工大学Martin Pumera教授、深圳大学周学昌教授、中科院兰州化学物理所刘维民院士等，重点介绍了具有亲水性和疏水性修饰的微型机

1959 年，Richard Feynman发表了题为“There’s Plenty of Room at the Bottom”的演讲，对未来纳米技术的发展起到重要的影响。微型机器人是纳米技术的一个重要分支。它与常规机器人虽然在组成、结构和应用方面有所不同，但从机器人的定义上来看，它们具有一定的共性，即作为半自主或全自动机器，它们具有感知、决策等基本特征。可以辅助甚至替代人类高效完成危险、艰巨、复杂的工作，拓展人类活动和能力的范围。微型机器人在生物医学和环境修复方面具有巨大应用潜力。然而，小型机器人的运动与传统宏观大尺度机器人的运动有所不同，由于雷诺数显着降低，运动和驱动变得困难。随着机器人的特征尺寸从宏观尺度减小到微纳米尺度，与粘附力和摩擦力的影响相比，重力的影响变得可以忽略不计。

凭借化学燃料、磁场、电场、超声场、光场等来源提供的能量，微型机器人能够克服阻碍微型机器人运动效率的流体粘性和摩擦力，并以可控的速度和机动性向特定区域进行主动运动。大多数实际应用要求微型机器人浸入比在实验室工作台上测试的机器人更粘稠的环境中。这将微型机器人的实际应用受到了很大的限制。因此，研究现状和实际应用之间存在很大差距，特别是在体内靶向递送方面。由于驱动力有限，为了促进其临床和环境应用，研究人员专注于提高微型机器人在粘性流体（如血液、粘液、离子介质和油水）中的机动性。

在自然界中，各种物种都可以通过合理设计表面结构和成分来降低阻力。例如，水黾被称为池塘滑行者，是由于它们腿部的定向微刚毛可以捕获大量空气，实现在水上自由站立和滑行。鲨鱼尽管体型庞大，但移动灵活而迅速，因为它们皮肤上紧密排列的真皮细齿平行于水的局部流动方向，有助减少水阻力。蚯蚓在土壤中蠕动而不会伤害其表面组织，因为它们表面动态分泌的粘液减少了运动摩擦。因此，表面改性和结构化是减少微型机器人与其周围环境之间的表面粘附和摩擦的重要手段。它也可以增加机器人表面的液体滑移，从而提高微型机器人的移动性。近年来，研究人员开发了从单个机器人到机器人群的一系列微型机器人，得益于合理的表面设计和功能化（图1），使得微型机器人在高粘度体内环境可控递送和泥状污水修复方面具有广泛前景。

近日，深圳大学王奔博士、香港中文大学张立教授、湖北大学郭志光教授、布尔诺理工大学Martin Pumera教授、深圳大学周学昌教授、中科院兰州化学物理所刘维民院士等在Advanced Materials 上发表了题为“Small-scale robotics with tailored wettability”的综述，在这篇综述中，重点介绍了具有亲水性和疏水性修饰的微型机器人（包括有缆和无缆机器人）的当前进展和未来前景。总结了经亲疏水表面改性后的微型机器人在驱动、成像、和生物相容性方面的特点和优势，并概述了它们的潜在应用。该综述总结了微型机器人在生物医学和环境领域的前沿应用，并讨论了微型机器人的挑战和前景。图2 展示了在润湿和微型机器人领域取得的部分重要成就的时间线。该文章第一作者为王奔博士，通讯作者为张立教授、郭志光教授、Martin Pumera教授。

图1. 有缆和无缆小型机器人通过各种亲疏水表面功能化，实现不同的功能和应用。

图2. 润湿和微型机器人领域的部分重要进展。

图3 总结了微型机器人疏水和亲水表面改性的作用和特点，考虑了运动、成像、生物相容性和应用方面。为了满足实际应用的需求，微型机器人必须以可控的方式绕过各种粘性液体和生物屏障，而不能仅停留在稀释的低粘度和静止流体环境下进行概念验证。目前小型机器人的表面功能化和改性方面的研究还存在一些难点。首先，如果机器人用于生物医学应用，特别是在体内应用的情况下，不仅要考虑机器人本体材料的生物相容性，还要考虑接枝层的毒性和生物相容性以及潜在的代谢物。含氟分子可以赋予机器人表面高疏水性和低阻力。然而，含氟分子表现出较差的生物相容性。因此，同时优化运动阻力和生物相容性具有一定的挑战性。其次，疏水性修饰已被证明在部分情况下可以增强组织穿透性。然而，机器人在体内长期运行可能会导致表面被蛋白质、电解质和小有机化合物污染，从而导致减阻能力衰减和消失。第三，当机器人表面被改性为超疏水时，水的接触角通常大于150°，由于截留空气的密度低，机器人可能会漂浮在水介质上。微型机器人的目标导航可能仅限于空气-水界面。为克服这些挑战，未来的研究可能集中在以下几方面。首先，先前的研究报道疏水和亲水改性都可以降低界面摩擦。未来的研究可以进一步明确两种改性方式对于界面减阻和润滑的影响，同时找到它们各自的适用场景。其次，具有疏水表面改性特性的微型机器人降低了阻力，特别是在粘性介质中。因此，开发用于体内应用的生物相容和可生物降解的疏水机器人是重要的研究方向，特别是在深层组织输送、克服粘液和凝胶状组织（例如脑胶质瘤）等粘性体液方面。第三，微型机器人的超疏水表面表现出固-液-气三相接触，这已被证明能有效促进某些催化反应。构建的三相微环境可以拓宽基于微型机器人的催化反应类型，为探索新型化学反应驱动的微型机器人和加速环境修复和生物医学应用的催化性能铺平道路。