原创 微纳米机器人的最新研究进展综述

2022-12-7 17:05 507 1 1 分类: 机器人/ AI 文集: 人工智能

 微纳米机器人的最新研究进展综述

     

李梦月, 杨佳, 焦念东, 王越超, 刘连庆. 微纳米机器人的最新研究进展综述[J]. 机器人, 2022, 44(6): 732-749.

 

随着机器人技术的不断发展,功能各异的机器人在人类日常生活和工业生产中展现出举足轻重的地位,已成为人类的得力助手。然而,当机器人操作需要从宏观尺度进入微观尺度时,如血管内药物运输、细胞内执行微操作等,现有宏观机器人则会受到尺寸限制,无法到达目标位置完成既定任务,因而亟需研发可以在微纳米尺度作业的微米和纳米机器人,即微纳米机器人。

  微纳米机器人是微米机器人和纳米机器人的统称,其尺寸通常介于1 nm~1 mm之间,可以将多种外部能源转化为自身的机械运动。在过去的几十年里,微纳米机器人取得了诸多令人瞩目的研究成果。2009年瑞士联邦理工学院Nelson教授等人制备了一种磁驱动螺旋微米机器人,被《吉尼斯世界记录大全》认定为“最先进的医用微型机器人”,这项认定充分印证了微纳米机器人在医疗领域的重要地位,同时也说明该领域的研究具有重要的价值和广泛的前景。微纳米机器人凭借其尺寸小、运动灵活等优点可实现在微尺度空间的灵活运动和操作,其在微纳米操作、体内和体外检测、微创手术、靶向治疗等方面具有广阔的发展前景。

  本文首先根据微纳米机器人不同的驱动方式分类来介绍微纳米机器人的发展现状。微纳米机器人按其驱动方式可分为:物理驱动,化学驱动,生物驱动,以及混合驱动。物理驱动,化学驱动,生物驱动这三种驱动方式都具有自己独特的优势,同时也存在一定的局限性,对这些驱动方式的特点进行总结和比较,如表1所示。

驱动方式

运动性能

持续时间

体内适用性

安全性

驱动局限性

物理驱动

 

 

 

 

磁场驱动

可以实现精确的三维运动

持续性较好,微纳米机器人

能在外场引导下持续运动

 

 

 

 

细胞和组织穿透性好,适用性强

生物相容性较好,强磁场可能对人体产生影响

电磁驱动能量效率低,工作空间有限

光驱动

可以实现开关控制和定向运动,运动速度快

生物穿透性较差,适用于浅表组织,不同波长光的透射率不同

紫外光对身体有害,其他光基本安全

在液体下驱动需要高功率,光聚焦大小和运动范围有限

超声驱动

运动响应快

细胞和组织穿透性好,适用性强

比较安全

操作精度不高

电场驱动

趋向性运动

生物穿透性较弱,需要增强电场强度

强电场可能对人体有影响

运动范围小

气泡驱动

依据气泡大小或振动频率

暂不适用

和气泡产生方式有关

操作精度和效率不高

化学驱动

运动速度快

持续性能较差,随着化学燃料逐渐消耗,运动性能将会受影响

部分适用

酶引发的生物催化反应是安全和生物相容的,但过氧化氢是有害的

依赖于燃料的浓度,运动持续性较差,运动方向和精度不可控

生物驱动

依靠生物个体的运动性能

受生物细胞活性影响

部分适用

生物相容性好

细胞或细菌等生存需要特定的营养液以及环境

表1 微纳米机器人不同驱动方式对比

   在面对复杂的应用环境以及特定的功能任务时,具有单一驱动方式的微纳米机器人可能无法实现我们的目标任务,因而可采用多种驱动方式相结合的混合驱动来控制微纳米机器人的运动和操作,使其具有更高效的运动能力,更复杂的功能。

图1 混合驱动微纳米机器人

       虽然目前微纳米机器人发展迅速,并且涌现了许多令人瞩目的研究成果,但是微纳米机器人在实际应用时仍存在很多挑战。因此本文从制备、成像、功能化和集群等方面分析了微纳米机器人发展面临的挑战及可能的解决方法。

       目前制备的微纳米机器人存在结构简单、功能有限、欠缺智能化等问题,但随着研究的不断深入和发展,微纳米机器人将逐步发挥出其巨大潜力,在微纳米尺度上造福人类。针对微纳米机器人的发展方向,本文提出了四个科学问题供相关科研人员参考。期望微观世界中微纳米机器人的不断发展,为人类社会的生活、医疗、健康等带来积极而深远的影响

  

文章评论0条评论)

登录后参与讨论
相关推荐阅读
广州铁金刚 2023-02-03 11:21
科技与爱国,科学没有国界而科技工作者有国界,如何真正的爱国?
《满江红》 南宋·岳飞 怒发冲冠,凭栏处,潇潇雨歇。抬望眼,仰天长啸,壮怀激烈。三十功名尘与土,八千里路云和月。莫等闲,白了少年头,空悲切! 靖康耻,犹未雪;臣子恨,何时灭?驾长车,踏破贺兰山缺...
广州铁金刚 2022-12-20 15:49
写春联,辞旧岁
上联:金虎腾跃无惧难题砥砺前行下联:玉兔迎瑞坚守科研老骥伏枥横批:智能创新          时间飞逝,转眼一年又过去了,今年受疫情影响,多...
广州铁金刚 2022-12-20 11:18
《全球工程前沿2022》报告
  12月15日,中国工程院、科睿唯安公司与高等教育出版社联合发布《全球工程前沿2022》报告。自2017年起全球工程前沿研究项目依托中国工程院《Engineering》系列期刊,每年邀请...
广州铁金刚 2022-12-08 15:48
机器触觉--用这些触觉微纤丝来挠痒痒
Balloon actuators and liquid-metal sensors enable tactile human-insect interactions   EVAN ...
广州铁金刚 2022-11-25 11:13
六轴细胞3D打印机
中科院、清华等提出“六轴细胞3D打印机”,心肌组织可体外存活超6个月   生物3D打印技术利用3D打印机将含有细胞和生物材料的墨水打印出特定的形状结构,是最有希望实现在体外制造人...
我要评论
0
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
关闭 热点推荐上一条 /4 下一条