01 微纳技术和微纳机器人
微纳机器人（Micro/Nanorobot）最早由美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼教授于1959年提出。他认为人类未来有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个原子作为构件，在非常微小的空间里构建物质。尽管关于微纳机器人的设想在1959年就已经出现，但直到上世纪90年代纳米技术的兴起，才带动了其研发与应用的起步。
功能性纳米材料、纳米催化、微纳加工技术等纳米科技的飞速发展，为机器人技术和微纳生物学/纳米医学之间的结合，找到了一条可行路径，微纳机器人应运而生。人们希望通过给微纳机器人提供指令和动力，在远程进行控制，在微纳尺度上执行任务，并且具有优异的灵活性和适应性。
微纳机器人泛指在微纳米尺度的小型机器人，分为微型机器人（Microbot/Microrobot）和纳米机器人（Nanorobot）。从广义上来讲，只要在微纳米尺度能够进行运动和操作的系统都可以叫做微纳机器人，因此又称为微纳机器（Micro/Nanomachine）、微纳马达（Micro/Nanomotor)等。
根据构成材料的不同，微纳机器人可以分为人工型、生物型、和生物混合型三种。生物型机器人是由天然生物材料制成的，具有出色的生物相容性。人工微纳机器人可以自驱动，也可以由外部场驱动，具体取决于提供的能量的方式。四十年来，微纳机器人已发展为一个新的前沿热点研究领域，是微纳生物学中最具有吸引力的部分。到目前为止，已经有几十种具有不同设计、功能类型、驱动模式以及用于定位和反馈的成像策略的微纳机器人具有生物医学应用的潜力。
微纳机器人的发展大致可以分成基础研究、微型化、生物化、分子化、智能化五个阶段。目前微纳机器人的研究处于从“生物化”和“分子化” 走向“智能化”的阶段。此外，微纳机器人在纳米加工、高端制造、重金属检测、污染物降解以及军事领域之中的应用也不容小觑。许多国家纷纷制定微纳机器人相关战略和计划，投入巨资抢占微纳机器人战略高地。
02 微纳机器人在医疗领域的应用前景
A医疗领域是微纳机器人应用的首要场景
利用运送有效载荷的能力，微纳机器人可以用于个体化医疗；利用其传感装置收集信号，可用于环境监测和国防领域；利用微纳尺度精确控制其行为的能力，可用于微纳制造，制造更多的微纳机器人。
得益于超小的尺寸，微纳机器人能够进入传统设备无法到达的微观环境中运动及执行操作。比如，微纳机器人可进入微流控芯片内对微结构进行微操作及装配，进入生物体自然腔道或血管内进行探测和药物递送，甚至进入单个细胞内部来测量细胞核的杨氏模量。微纳机器人还可以“协同作战”，科学家可控制其群体改变构型穿过狭小管道，抵达靶向位置释放药物。目前，微纳机器人已成为科研人员探索微观世界新现象和新机理的助手，不过其结构仍较为简单、功能有限。
随着各种具有定位和跟踪的临床影像技术的发展，微纳机器人在体内诊断和介入中的应用已成为近年来广泛研究的焦点问题。将表面功能、远程驱动系统和显影技术的巧妙集成在一起的微纳机器人设计，是其实现生物医学应用，尤其是体内应用的关键一步。
B微纳机器人的产业化应用
目前微纳机器人实验已经应用到老鼠等小动物身上，在大动物身上做实验是目前国际努力的方向。但是灵长类动物或者人体实验甚至大规模的临床试验，还需要一个相对较长的过程。为了满足设计的需要，能够低成本、大规模、对环境无害地制备出相应微纳米机器人的微加工制造技术仍需不断发展。
C 通过监管机构的审批将是微纳机器人商业化的关键门槛
微纳机器人的实际临床应用首先需要证明它们的安全性和有效性。各个国家和地区都有相应的监管机构。通常通过此类监管批准的财务和时间成本高昂，难度巨大。微纳机器人本身属于医疗器械领域，全球大多数监管机构根据医疗器械对患者健康的潜在风险对其进行分类。而微纳机器人的使用目的，将决定它们的分类。并影响未来临床转化所需的时间。尽管通过选择风险较低且易于实现的应用领域（例如基于微纳机器人的诊断平台）似乎更容易通过监管审批，但风险较高的应用（例如递送或手术）可以为微纳机器人带来更长远的发展前景。
03微纳机器人六大技术环节
微纳机器人在原理上可以看作一个具有输入和输出端的装置。其输入端是人体和一些外在的信号，经过微纳机器人处理之后，会产生相应的输出；输出端指微纳机器人进行的操作，具体包括药物、酶等功能分子的释放、获取疾病的诊断信息等。不同于宏观机器人，微纳米机器人无法外接电线或携带电池为其供能，也不能装载电机来产生运动。此外，在微观环境中，如何观察及无线遥控微纳米机器人按指令运动及作业，也是需攻克的难题。
目前关于纳米机器人的医疗应用主要是不需要进行自主运动控制的靶向药物递送方向。这种DNA纳米机器人，通常由DNA适体构成，可以通过DNA适体的特异性识别而被细胞中的某些蛋白质机制打开，从而使得内部有效载荷的释放。其靶向能力主要取决于适体的蛋白质识别能力，与药物递送的原理类似；运动功能目前主要限于构象运动。
A设计环节：
在设计微纳机器人时，需要根据预期功能，对结构和组件进行设计，而这些设计将决定微纳机器人所采用的材料总体趋势是逐渐向生物可降解、完全生物相容性的材料方向发展。在结构方面从刚体向软体方向发展。
微纳机器人的设计灵感来源于对宏观物体结构和功能的模仿，即仿生学思想。将宏观物体的尺寸缩小至微纳尺度,便产生了微纳尺度的具有类似形态或相应功能的机器人。仿生的方式往往难以完全复现出原本生物体的结构和功能特性，而通过将生物体功能元件和非生物元件进行结合而产生的生物混合型微纳机器人则很好地解决了这一问题。
B制造环节：
从早期的电/气相沉积技术，发展出自卷曲/自组装、3D打印以及合成生物学技术。实现运动的精确控制，是微纳机器人技术发展成熟的重要标志。精确控制微纳机器人的运动，即实时监控微纳机器人的运动位置和速度、保持运动参数在设定范围，面临微观尺度上独特的物理现象以及体内复杂环境的挑战，是限制微纳机器人真正产业化应用的主要瓶颈。想要实现微纳机器人的可控运动，一方面需要驱动，为微纳机器人的运动提供动力，另一方面需要通过实时成像手段了解机器人的定位。
C驱动环节：
当物体的尺寸缩小到微米/纳米时，会出现常规尺寸机器人所没有遭遇过的挑战。低雷诺数环境和分子布朗运动干扰是微纳尺度运动控制的两大难题。根据所供应能量的形式，微型机器人可以分为自推进式和外场推进式两种。在自驱式机器人由浓度梯度、自电泳和气泡驱动。自驱动机器人可将周围环境中的化学能和生化能转化为机械能，以实现自动推进。外场驱动的微型机器人由外部磁场/电场/超声波驱动。比化学驱动的机器人更适合生物应用。其他外场驱动方式还包括光场驱动、电场驱动和马兰戈尼效应驱动，但后两种所需的条件比较剧烈，并不适合在体内使用。
D定位反馈环节：
微纳机器人面临着小尺度下的成像难题，微小的尺寸使体内成像技术难以提供较高的分辨率和对比度。得益于定位和导航的协同作用，理想状态下的微纳机器人不仅可以在体外甚至在体内进行实时跟踪，而且还可以通过基于视觉的控制用于特定位置的靶向运输和治疗。而且，与静态微纳机器人相比，引入微纳机器人的运动还可以增强成像对比度。医学成像技术与微纳机器人的启动相结合，提供了一种全新的主动工具，可用于针对特定部位、以微创方式实施治疗。
E集群化控制环节：
集群行为强烈依赖于距离，具有吸引或排斥力的短程力在蜂拥过程中均起作用。集体运动中的微/纳米试剂相互依赖的，与有效区域内的惰性微/纳米粒子以吸引或排斥的形式进行通信。尽管微纳机器人的浓度很低，但可能会生成一个以上的集群模式。
集群机器人的运动很容易受到流体环境的影响，进一步研究可能需要开发具有合理结构和组件设计的高响应微纳机器人，以克服实际生物系统中的潜在运动抑制。现有的集群运动控制存在形式单一、群体内部混乱、仍处于手动控制水平等问题，研究群体磁性微纳机器人多种群集模式的生成、平移运动和功能应用。
F功能化环节：
功能技术环节是使微纳机器人执行导航以外其它额外任务的关键步骤。对于生物医疗应用，功能化过程不仅可以应用于靶向药物的运输，还可以应用于体外和体内微纳机器人的可视化和跟踪（即定位）。微纳机器人携带载荷及释放除了附着药物这种化学方式，还可以通过光热效应、磁热效应等方式实现。此外，功能化过程还可以改善生物兼容性，并防止免疫系统将微纳机器人识别为异物并对其进行攻击，这会增加其在体内的保留时间。
