SmartBot创刊号│2025年第1期│综述│名古屋大学福田敏男院士团队联合北理工王化平教授团队：生物集成微机器人研究进展

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论文信息

文章导读

近年来，生物集成微机器人（Bio-integrated Microrobots, BIMs）凭借其微型化设计、生物相容性和智能化作业方式，正在医学领域掀起一场技术革命。该类机器人能够深入人体复杂的生理环境，执行靶向递送、微创手术、组织活检等任务，为精准医疗等领域带来全新突破。

本期文章基于中国科学院外籍院士福田敏男教授团队联合北京理工大学王化平教授团队发表在期刊SmartBot上的长篇综述论文“Bio-Integrated Microrobots: Fabrication, Actuation and Biomedical Applications”，带您全面了解这一领域的最新研究进展，探讨生物集成微机器人的制造材料、构建方法、驱动技术及生物医学应用，并展望其未来发展趋势。

图1.生物集成微机器人的制造、驱动和体内应用示意图

生物集成微机器人是一类结合生物材料、活细胞或生物分子以及工程材料构成的微型机器人，通常小至毫米或微米尺度，能够在体内精准执行医疗任务。其核心特点包括微型化设计、生物相容性、智能响应特性和可降解性。凭借这些特性，生物集成微机器人正逐步应用于靶向医疗、微创手术、组织活检等领域，为疾病诊断和治疗提供了全新的解决方案。未来，随着技术的不断进步，其有望在癌症治疗、再生医学、新药研发等多个领域发挥更加广泛的作用。

为了使微型机器人具备复杂结构与高效功能，研究者们开发了多种先进制造技术，主要可概括为以下三类：逐点策略通过点对点的构建方式精准制造微机器人的三维结构，常见技术包括双光子聚合（2PP）打印等，其优点是制造精度极高，但速度较慢，难以大规模生产；逐层策略通过层到层的堆叠方式构建微型机器人，主要代表为光刻（Photolithography）和数字光处理（DLP）等技术，能够在相对较快的速度下实现复杂结构的制造，但精度和分辨率有限；模板策略使用实体模板、物理场模板等制造微型机器人，适用于大批量生产，但其结构复杂性和精度相对较低。研究者们旨在通过不断优化制造方法，发挥技术优势，克服技术的局限性，以提高微型机器人的精度、可控性和生物安全性。

图2.生物集成微机器人的物理场驱动方法

微机器人的运动对执行作业任务至关重要，当前主要分为外部物理场驱动和细胞动力驱动两大类：外部物理场驱动（见图2）包括磁场、光场和声场驱动，其中磁场驱动通过磁场作用驱动磁性元件，具有良好的组织穿透性，同时与现有医学成像技术保持兼容性，但可能存在磁场强度和精度的限制；光场驱动利用光辐射力驱动微机器人并进行精确操控，能够实现高空间分辨率的控制，但其在体内的穿透深度有限；声场驱动利用声辐射力驱动微机器人在流体中运动，具有良好的生物相容性和非接触式操作的特点，但其在复杂环境中的导航精度有待提高。细胞动力驱动则利用活细胞的自主运动能力，例如心肌细胞、骨骼肌细胞、昆虫组织及微生物的自发运动来驱动微机器人，这种驱动方式具有自主性和生物相容性，但可能面临细胞活性及寿命的限制。展望未来，科学家们不断探索复合物理场驱动的可能性，例如结合磁场和光场驱动，以提升微型机器人的导航精度、功能实现和应用范围

生物医学应用

图3.生物集成微机器人的靶向递送应用

生物集成微机器人在医学领域展现了巨大的应用潜力，主要包括以下三个方面：靶向药物递送，微创手术，以及组织活检。靶向药物递送通过磁场、pH变化等刺激，微型机器人可在靶向位置精准富集及释放药物（见图3），提高药物疗效并减少副作用。然而，目前仍面临药物释放的精准控制和体内长期稳定性等诸多挑战。在微创手术领域，微机器人可用于血管栓塞、肿瘤切除等微创手术，减少组织损伤，提高手术精度。未来，随着驱动技术和成像技术的进步，微机器人在复杂手术中的应用将更加广泛。此外，微机器人可用于组织活检，能够在胆管、消化道等部位精准采样，提高疾病诊断的准确性。但目前仍需解决采样精度和样本完整性的问题。大量研究工作验证了微机器人在生物医疗应用中的潜力。例如，pH响应微型机器人可在肠道环境中精准释放抗癌药物，用于消化道肿瘤治疗；微机器人通过磁场变换形态，完成血管的定向栓塞。未来，随着技术的不断进步，生物集成微机器人有望在更多医学领域发挥重要作用。

期刊简介

SmartBot (Print ISSN:2998-4432，Online ISSN:2998-1891，季刊) 是由中华人民共和国工业和信息化部主管，哈尔滨工业大学与Wiley出版集团合作出版的开放获取英文学术期刊，由瑞士工程院(SATW) 院士、苏黎世联邦理工学院机器人与智能系统研究所所长布拉德·尼尔森(Bradley Nelson) 担任主编，中国工程院院士、哈尔滨工业大学副校长、机器人技术与系统全国重点实验室主任刘宏担任编委会主任，哈尔滨工业大学期刊中心主任、哈尔滨工业大学机电工程学院李隆球教授担任执行主编。编委团队由来自20多个国家和地区的49位国内外机器人及相关领域知名专家和学者组成，其中包括国内外院士26位。期刊依托于机器人技术与系统全国重点实验室，已获得中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目支持，旨在打造高影响力、多学科、专业性的机器人领域国际卓越期刊。

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