《微米纳米技术前瞻专刊》 常晓丛，李隆球，等：游动微纳机器人的发展趋势及挑战

常晓丛

常晓丛，副教授。主要从事微纳机器人技术领域的相关研究工作。主持国家自然科学基金青年基金等项目。发表论文27篇，授权发明专利18件。

李隆球

李隆球，教授，博士研究生导师。哈尔滨工业大学期刊中心主任。国家杰出青年科学基金获得者，中国青年科技奖获得者。中国微米纳米技术学会理事，中国微米纳米技术学会微纳执行器与微系统副理事长，美国机械工程师学会微纳系统技术分会委员。国家重点研发计划评审专家和国家科技奖励评审专家等。主要从事机器人技术、微纳与智能制造技术装备、机电一体化技术等研究。主持国家重点研发计划等项目。获得国防科技进步奖一等奖1项、省部级奖励一等奖3项和二等奖2项等。发表论文120余篇。

随着科学技术的飞速发展，人类对微观世界的探索不断深入。游动微纳机器人作为纳米技术的重要分支，近年来已成为科学研究、工业应用及人类社会关注的热点领域。游动微纳机器人是一种尺寸介于微米和纳米尺度的微执行器，能将介质环境中的能量，如光能、电能、热能、磁能及化学能转化为自身运动的机械能，为微观世界的探索和应用提供了全新的手段。微纳机器人具有尺寸小、推重比大、可控性好等特点，它能深入宏观机器人无法到达的领域，为精准医疗、能源开采、微纳加工及信息检测等领域带来变革性、颠覆性的思路。游动微纳机器人的研究涉及机械工程、材料科学、电子工程、生物医学工程等多学科交叉领域，其研究和应用不仅能够促进不同学科之间的交叉融合和相互渗透，还将推动跨学科研究的发展，最终推动科学研究的整体进步。诺贝尔奖获得者James Fraser Stoddart认为“微纳机器人在未来将为人类带来无限可能”。2018年，Science Robotics杂志指出了未来机器人十大挑战，其中微纳机器人占4项；同时，微纳机器人也是“中国制造2025”和“健康中国2030”等战略规划的优先发展技术。鉴于其重要性和潜在的战略价值，微纳机器人也成为被列入美国实体清单的新兴技术。

然而，游动微纳机器人研究与应用面临诸多挑战。首先，由于游动微纳机器人的尺寸通常在微米或纳米尺度，与宏观物体相比，其受到流体动力学特性的强烈影响会产生显著的布朗运动且流体阻力相对较大；同时，尺寸也限制了其获取和转换能量的能力，给游动微纳机器人运动效率的提升带来极大挑战。其次，由于尺寸效应，微观尺度下的流体力学、热传导等物理现象与传统的宏观世界不同，而且游动微纳机器人通常需要在复杂的环境中进行运动，环境中的温度、浓度、黏度等因素都会对机器人的运动产生影响；加之游动微纳机器人无法像宏观机器人一样集成传感器、控制器、执行器于一体，因此其运动控制的精确度较低。最后，从材料与应用角度来看，大多数游动微纳机器人由金属或人造聚合物构成，其生物相容性和生物降解性差、活体成像分辨率受限，以及各种生理屏障（如血管网络、血流、细胞膜等）等局限性，严重阻碍了游动微纳机器人在临床上的应用。因此，亟须开展游动微纳机器人“设计-制备-驱动-控制-应用”一体化耦合设计。为此，文章从游动微纳机器人从驱动方法、设计制造、运动控制及应用领域4个角度出发，分析国内外发展现状，展望未来发展趋势，分析游动微纳机器人在研究和发展过程中面临的主要挑战，并提出相关建议。

游动微纳机器人的驱动方式根据其能量来源的不同可分为化学场驱动、外物理场驱动（如磁场驱动、光场驱动、超声场驱动、电场驱动）、微生物驱动及混合动力驱动。不同的驱动方式有各自的优缺点。化学场驱动微纳机器人能够实现能源自给自足，反应产生的气泡能够提供强大的推进力，但是化学场驱动微纳机器人对介质环境要求严格，相对外物理场其运动难以精确控制，且生物相容性较差。外物理场驱动微纳机器人能够实现非接触式驱动，运动控制精确度较高，智能化程度较高且功能性更多。但是外物理场驱动需要复杂的外置能源设备。驱动的稳定性和能力依赖于外部能源的强度和稳定性，且驱动距离有限。微生物驱动具有较高的生物兼容性和环境适应性，然而其运动速度和轨迹难以精确控制。因此，选择微纳机器人驱动方法时，需要综合考虑机器人的尺寸、材料、能源供应等因素，根据具体的应用场景和需求进行权衡。

化学场驱动是微纳机器人驱动的一种常见方式。化学场驱动微纳机器人自身不携带燃料，通过与介质环境中的“燃料”发生化学反应，从而将微纳机器人周围环境中的化学能量转化为自身运动的机械能进行自驱动。根据化学反应结果的不同，化学场驱动又可以分为气泡驱动、自扩散泳驱动及自电泳驱动。

1）气泡驱动微纳机器人

气泡驱动是化学场驱动微纳机器人中最常见的驱动方式。它结构中的活性物质可与介质环境中的燃料发生化学反应生成气泡。气泡从微纳机器人的一侧排出，根据动量守恒定律，气泡排出的同时会在微纳机器人的一侧产生一个反推力。连续排出的气泡会形成连续的推进力，从而推进微纳机器人进行自驱动，如图1（a）所示。

图1 游动微纳机器人的驱动方法

2）自扩散泳驱动微纳机器人

当非对称的微纳机器人与介质环境中化学燃料发生化学反应时，会在微纳机器人周围产生非对称的产物溶度，最终驱动微纳机器人的运动。根据化学反应产物的不同，自扩散泳驱动微纳机器人又可以分为非电解质扩散泳驱动和电解质扩散泳驱动。非电解质扩散泳驱动微纳机器人可以与介质环境中的溶液发生化学反应，在微纳机器人周围生成非对称的非电解质产物，从而形成分子产物梯度差，在渗透压差作用下驱动微纳机器人的运动。电解质扩散泳驱动微纳机器人的产物为带电离子，由于离子在介质环境中扩散系数不同，会在微纳机器人周围产生电场，从而驱动自身带电的微纳机器人定向运动。

3）自电泳驱动微纳机器人

与传统的电泳现象类似，自电泳驱动微纳机器人本身自带电荷，通过非对称化学反应，在微纳机器人周围形成局部电场，从而驱动微纳机器人定向运动。

1）磁场驱动微纳机器人

磁场驱动微纳机器人能够将介质环境中的磁场能量转化为自身运动的机械能，如图1（b）所示。根据磁场类型的不同，磁场驱动通常可以分为匀强磁场驱动、梯度磁场驱动及振荡磁场驱动三大类。其中，匀强磁场驱动是指在三维空间中，微纳机器人在强度均匀分布的磁场中进行旋转运动；梯度磁场驱动是指在三维空间中，微纳机器人在强度分布不均匀的磁场中进行平动；振荡磁场驱动是指在三维空间中，微纳机器人在强度均匀分布、方向随时间呈周期性变化的磁场中，通过流体动力相互作用实现有效驱动。虽然磁场具有响应速度快，控制精度高等优点，但磁驱系统仍存在磁场强度低、操作空间小及散热效率差等不足和挑战。

2）光场驱动微纳机器人

光作为一种常见的外场能源，具有操作方便、可实时、远程、快速、聚焦和定位精确等优点，是微纳机器人常见的驱动方式之一，如图1（c）所示。光场驱动微纳机器人能够将介质环境中的光能转化成自身运动的机械能。根据驱动机制的不同，光场驱动又可以分为光热驱动、光催化驱动及光镊驱动。光热驱动微纳机器人主要是通过光热效应材料构建热场梯度，将光热能转化成机械能推动微纳机器人运动；光催化驱动微纳机器人主要是通过特定波长和强度的光源触发光化学反应从而推动微纳机器人运动；光镊驱动微纳机器人主要依赖于光子和微粒之间的动量转移来驱动微纳机器人。光场驱动微纳机器人在微纳机器人非接触式驱控领域展现出了独特的优势和潜力，然而其也存在穿透深度低、光源要求高及易灼伤生物组织等难题，未来研究需要针对这些不足进行深入研究以推动光场驱动微纳机器人的进一步发展。

3）超声场驱动微纳机器人

超声场驱动微纳机器人能够将介质环境中的超声能转化成自身运动的机械能从而实现平动、旋转、聚集、吸引或悬浮等运动状态，如图1（d）所示。根据超声波的施加方向，超声场驱动又可分为超声驻波驱动和超声行波驱动。当微纳机器人的运动平面与超声波运动平面垂直时，称作超声驻波驱动微纳机器人。超声驻波驱动微纳机器人的结构通常为非对称结构。常见结构为尾部凹陷的棒状结构、壳状结构等。当微纳机器人的运动平面与超声波运动平面平行时，称作超声行波驱动微纳机器人。超声场驱动微纳机器人在组织穿透性、适用性、安全性等方面具有显著优势，但在操作精度、单体操控和环境适应性等方面仍有待提高和改进。

4）电场驱动微纳机器人

电场驱动微纳机器人能够将介质环境中的电能转化为机械能实现电场中的平动或旋转运动。根据电场的类型，电场驱动微纳机器人可以分为直流电场驱动和交流电场驱动。当施加直流电场时，微纳机器人受到静电力作用在电场中进行水平运动；当施加非均匀的高频交流电场时，微纳机器人受介电力作用进行水平运动；当施加均匀的高频交流电场时，微纳机器人受电转矩作用进行旋转运动；当施加低频率交流电场时，微纳机器人在感应电荷电渗流作用下进行水平运动；当施加多极交流电场时，微纳机器人受电转矩作用进行旋转运动。电场驱动微纳机器人定位精度高、控制系统简单，且无须使用燃料，因而有着广泛的应用前景。然而，电场驱动仍存在工作空间受限、稳定性较差等不足。

1）细菌驱动微纳机器人

鞭毛是多数细菌特有的运动器官。细菌能够通过螺旋形的鞭毛产生动力推动细菌自身快速地移动。受细菌的高效驱动方式的启发，研究人员将细菌作为天然马达，制造了细菌驱动微纳机器人。

2）精子细胞驱动微纳机器人

在自然界中，除细菌外，精子细胞也可以通过鞭毛的摆动实现自身的直线或者非直线的运动。将具有优异自主运动能力的精子细胞与微结构或功能性粒子相结合，能够构造具有高能量转换效率与生物安全性的智能微纳机器人，如图1（e）所示。

3）微藻驱动机器人

微藻是一类含有叶绿素能够进行光合作用产生氧气和能量的微生物，它具有无毒、生物相容性及可降解等优势，同时其独特的形态特征、运动方式，以及易于功能化的表面为制造微藻驱动机器人提供了可能。常见的用于制造微藻驱动机器人的藻类有衣藻、螺旋藻和硅藻。

游动微纳机器人的设计是一个涉及多学科交叉的系统性工程，需要综合考虑尺寸形状、材料选择、制备技术、驱动机制及应用需求等多个因素进行耦合性设计。第一，微纳机器人在进行材料选择时需要考虑材料对结构设计的支持；第二，微纳机器人的设计应围绕应用需求展开，确保微纳机器人在实际应用中能够发挥最佳性能；第三，微纳机器人制造过程中需要考虑材料的加工性能，选择适合该材料的制造技术；第四，微纳机器人的制造技术应根据结构设计进行选择，以确保能够制备出具有所需形状和功能的微纳机器人。

螺旋状微纳机器人是一种具有特殊结构和功能的微纳尺度机器人，它们能够在外磁场驱动下通过螺旋运动实现驱动，具有驱动效率高、运动速度快、远程可控等优点。螺旋状微纳机器人的制造方法主要有模板电沉积技术、自卷曲技术、三维激光直写技术、掠射角沉积技术、生物模板技术等。

管状微纳机器人的中空管状结构，有助于在流体中保持稳定，也能够在复杂环境中进行灵活游动。常见的管状微纳机器人为气泡驱动微纳机器人，其内层的活性材料与介质环境中的化学燃料反应产生的气泡从尾部排出，以此用来驱动管状微纳机器人运动。管状微纳机器人的制造方法通常包括自卷曲技术、模板电沉积技术、模板层层组装技术等。

双面球微纳机器人是一种结构简单的微纳机器人结构，它具有非对称的双球面设计，通常一侧为活性层，另一侧为惰性层或具有其他特定功能的层。这种结构设计使得微纳机器人能够在其两侧建立浓度梯度场、电场、温度场等，从而驱动自身运动。双面球微纳机器人常见的制造方法有物理气相沉积技术、非对称双电极电沉积技术、非对称封装技术等。

游动微纳机器人由于尺寸小，会产生强烈布朗运动，导致微纳机器人极难实现精确运动控制。目前，游动微纳机器人的运动控制主要是指对微纳机器人运动方向、运动速度及集群行为的控制。其运动控制方法包括外物理场控制、趋向性控制及人工智能控制。在选择游动微纳机器人的控制方法时，需要根据自身结构设计、材料选择、驱动方式及应用场景和需求，综合考虑各种控制方法的优缺点进行耦合设计和选择。

3.1 基于外物理场的运动控制

1）磁场控制

磁场因具有无创、高精度、时空调控性强、介质环境影响小等优点，被广泛应用于微纳机器人的运动控制方法。通过磁场的施加和去除可以实现对游动微纳机器人运动的启/停控制，也可以通过调节外部磁场的类型和参数来精确调节其运动性能，如运动模式、运动方向、运动速度。例如，通过施加梯度磁场来触发微纳机器人沿某一方向的磁泳运动，通过施加旋转或振荡磁场提供磁转矩来触发微纳机器人旋转或振荡运动。此外，通过调整磁场参数可以实现对微纳机器人运动速度的调控。然而复杂的磁场发生装置占用工作空间较大，会限制磁驱动微纳机器人的操作空间及应用范围。

2）光场控制

光是一种常见的可再生能源，具有时空调控性强的特点，也是微纳机器人常见的运动控制方法。基于光催化燃料分解反应驱动的微纳机器人，其运动启/停可以通过光源的开/关实现，通过调整输入的光强度可实现对运动速度的调节。对于含有光敏组件的光响应型微纳机器人，其在不同光线照射下能够呈现出不同的运动模式，如布朗运动、平移运动、原位旋转、大半径旋转和空间旋转等。基于光诱导驱动的微纳机器人，其贵金属纳米结构的形状和尺寸可调控微纳机器人的吸收波长，从而实现对运动行为的调控。

3）超声场控制

超声场作为一种易于操作且对生物体损伤小的能量来源，已越来越多地应用于微纳机器人的驱动及控制。微纳机器人运动速度的控制可以通过调整超声场的强度来直接实现。通过超声场的开/关，可以控制纳米棒的启/停运动控制；通过调整超声场的波长可以调整压力节点位置变化，从而实现对微纳机器人集群位置的调控。

4）电场控制

以导电材料构成的微纳机器人很容易受电场的影响而产生极化现象。通过调整机器人的表面电荷量，可以相应地调节微纳机器人的运动行为。由于电场引起的极化，流体在微纳机器人与溶液的界面处分裂。由此产生局部电渗流来推动微纳机器人定向运动。

在自然界中，许多生物体能够感知周围环境的变化，并对外界的刺激做出反应，这种定向运动称为趋性。受生物趋性行为的启发，研究者不断开发能够在不确定或动态变化的环境中实现自我导航和自我定位的智能游动微纳机器人。趋向性控制通常包括趋化性控制、趋光性控制、趋磁性控制、趋流性控制及趋重性控制。

1）趋化性控制

趋化性是微纳机器人朝向或远离特定化学诱剂或毒素的运动。微纳机器人能够根据自然界中细胞代谢物及天然/人工化学源构建的化学梯度，进行趋化性运动。例如，管状微纳机器人和Janus型微纳机器人均可以向过氧化氢浓度较高的区域进行偏转。

2）趋光性控制

趋光性是生物体感知光的方向并朝向或远离光照方向的能力。受此启发，微纳机器人也能够根据不同的物理或化学原理来模拟微生物的趋光性行为。光学信号可引导微纳机器人产生微小移动。例如，氯化银纳米粒子、二氧化钛微粒及二氧化钛微管等微纳机器人能够在光照下进行正趋光或负趋光的运动。

3）趋磁性控制

在自然界中，趋磁细菌的体内含有氧化铁的晶体材料，能够感知地磁场方向并调整自身方向直至平行于地磁场。受此启发，微纳机器人的趋磁性可以通过将具有磁响应特性的生物组件集成到非生物组件中来实现自主导航，因此，趋磁微纳机器人可以应用于生物医学领域，包括主动药物输送和肿瘤治疗。

4）趋流性控制

边界或障碍物的存在会对微纳机器人的运动产生巨大影响。对于生物或微流体系统，血管中的血流及微流体通道中的流动总是存在的。当具有非对称形态的微纳机器人在这种环境中工作时，它们会受到由剪切力引起的力矩。当力矩足够强以抑制布朗运动时，非对称微纳机器人的方向保持不变，从而可以产生定向的正/负流变运动。因此，微纳机器人可以作为生物体内和体外的货物载体。

5）趋重性控制

趋重性是指生物对外部重力场做出响应沿/逆重力的行为。游动微纳机器人通常在基底平面进行运动。为能够广泛应用，微纳机器人需要具有在三维空间内运动的能力。Schattling等提出了TiO2/SiO2光诱导负重力微纳机器人，其能够通过光催化分解过氧化氢在微纳机器人附近引起局部流体流动，从而实现逆重力运动行为。

3.3 人工智能控制方法

1）智能路径优化

强化学习作为人工智能的一个分支，已被用于游动微纳机器人在复杂环境中的智能导航领域。微纳机器人能够通过基于视觉的深度强化学习算法，解决未知障碍环境中的自主导航问题。通过学习，微纳机器人到达目标位置所需的步数和轨迹不断减少。

2）多机器人系统控制

自然界中，生物群体中的个体能够遵循简单的行为准则完成迁徙、觅食、筑巢及御敌等复杂的群体行为。受此启发，集群运动有望提高微纳机器人在复杂环境中的智能决策能力。然而，相对于单体微纳机器人的运动控制，集群体之间的运动控制更加复杂。多智能体强化学习方法使微纳机器人能够学习、合作，从而对标量梯度（如流体流量或光强度等）进行群体感知。例如，微纳机器人群体间能够通过强化学习的方法寻找最佳运动策略，以最大限度地减少集群体运动过程中受到的阻力和能量消耗。

游动微纳机器人作为一种前沿技术，不仅在生物医疗、环境保护及纳米工程领域展现出了巨大的应用潜力和重要性，也在不断推动相关学科的交叉融合和创新发展。通过强化基础科学研究以深化技术根基，精进制造技术以提升效率与降低成本，优化生物兼容性以拓宽生物医学应用，促进跨学科合作以加速技术创新，深化国际合作以共享资源与技术，并积极推动产业化进程，可以更有效地挖掘游动微纳机器人的潜力，从而加速其技术发展和应用领域的拓展。

1）靶向药物

古人有云“药到病除，效如桴鼓”，即当药物到达病灶时，疾病能够迅速康复，立竿见影。传统口服药物具有毒性大、药效慢、靶向差等问题，因此亟须一种靶向给药新方法。微纳机器人具有运动可控及自主导航能力，能够作为智能药物载体实现药物的靶向运输与可控释放。Wu等通过层层自组装方法制造了一种管状微纳机器人，能够在气泡驱动及磁场导向下实现药物靶向运输至癌细胞处，通过近红外光的辐射实现抗癌药物的可控释放，有效杀死癌细胞，如图2（a）所示。

图2 微纳机器人在生物医疗领域的应用

1）环境监测

在自然环境中，鱼类的运动行为及生存率可直接反映其生存环境的优劣。受此启发，微纳机器人能够感知介质环境状态以调整自身运动速度及运动行为。因此，微纳机器人可为环境监测领域提供一种简单、经济的监测方法。Orozco等提出了一种以酶促气泡驱动微纳机器人在介质环境中的运动速度和寿命作为检测环境污染的新方法。当介质环境中含有汞、铜、叠氮化钠及氨基三唑等重金属或有毒物质时，过氧化氢酶的活性降低，此时酶促气泡驱动微纳机器人的运动速度将发生显著变化。研究者可以根据微纳机器人的运动速度来判断介质环境中重金属离子的含量，如图3（a）所示。

图3 微纳机器人在环境监测与治理领域的应用

2）环境治理

环境治理对可持续发展至关重要。随着工业化时代的迅猛发展，迫切需要一种新的环境污染治理方法。微纳机器人具有优异的运动性能及功能化修饰能力，可为环境治理领域提供一种新的解决方案。微纳机器人的自主运动能力可以增强溶液混合及物质传输，也可以通过表面功能化修饰来吸附或降解环境中的污染物。Guix等通过在微纳机器人表面修饰长链分子层实现了对介质环境中微油滴的吸附及运输，如图3（b）所示。Soler等在管状结构的微纳机器人表面引入铁层，通过芬顿氧化过程实现了对水中有机污染物的降解。

1）显微成像

微纳机器人高精度定位和精准运动控制为显微成像技术的发展提供了强有力的支持。Li等将球形微纳机器人作为自主探针进行亚衍射光学扫描和成像，如图4（a）所示。该微纳机器人由高折射率聚苯乙烯微球和催化层铂金属组成，能够在自驱动的同时实现样品表面的扫描成像。

图4 微纳机器人在纳米工程领域的应用

2）电路修复

受血小板凝血进行伤口修复现象的启发，Li等提出了一种基于微纳机器人的电路自主修复技术，如图4（b）所示。该双面球微纳机器人自身具有导电性，表面修饰有疏水层，能够在过氧化氢溶液中进行无规则的运动。当遇到电路中的裂纹时能够聚集在裂纹处导通电路，对于提高电路维修的效率、降低危险及提高准确度具有重要意义。随着技术的不断进步和完善，微纳机器人将会为电路修复领域带来革命性的进步。

3）货物运输

微纳机器人在货物运输领域具有高效性、稳定性、精确运输与释放、货物多样性等特点，具有突出的潜力和价值。微纳机器人能够通过磁力、静电力、亲疏水作用及微结构等方式实现货物的捕获和运输。Burdick等、Sundararajan等首次展示了化学驱动微纳机器人通过磁力和静电力对货物（聚苯乙烯微球）的捕获与运输能力，如图4（c）所示。Zhang等通过螺旋磁性镍纳米线实现了非接触方式操纵聚苯乙烯微球货物在固体表面的推拉及旋转等微观操作。此外，该磁性镍纳米线能够靶向运输红细胞及单个鞭毛微生物等，具有单细胞分析的潜力。

4）微纳加工

微纳机器人优异的环境适应能力、良好的材料兼容性、精准的运动控制，以及三维加工能力，使其在微纳加工领域展现出广泛的应用。Manesh等通过微纳机器人驱动反应的产物与介质溶液之间的聚合反应在基底生成新的聚合物，在外磁场控制下实现了基底表面的微加工。Chang等将微纳机器人与微泵系统相结合实现了微纳机器人在基底的可控微图案加工，如图4（d）所示。

5.1 游动微纳机器人的发展趋势

1）功能多样化

未来游动微纳机器人将追求多功能性，通过结构上的设计和创新，如仿生设计和复合功能集成使微纳机器人具备高效运动能力的同时，也可集成多种辅助功能，拓展微纳机器人的应用领域，提高微纳机器人的实用性。

2）精确度提升

微纳机器人运动精确度对于其在医学、环境监测、工业制造等领域的应用具有至关重要的作用。随着技术的不断进步和创新，人们期望能够开发出更加精确、稳定的游动微纳机器人，以满足不同领域的需求。提高游动微纳机器人的运动精确度是当前研究的重要方向之一。通过开发新的动力系统、更新能源来源、优化结构设计、选择高性能材料、改进加工工艺、提出智能控制算法等方面，实现游动微纳机器人精确度以适应更复杂的任务需求，并在极小空间内进行精细操作。

3）交叉融合与智能化

游动微纳机器人的研究涉及机械工程、材料科学、生物医学工程、计算机科学、纳米科学等多个学科领域的知识。随着技术的不断发展，多学科之间的交叉融合将成为推动游动微纳机器人技术进步的重要动力。此外，随着人工智能技术的不断发展，通过引入机器学习等算法，以及先进的传感器技术，未来的游动微纳机器人将具备更强的任务适应性和智能化决策能力。通过集成环境感知、任务理解、决策规划等功能模块，游动微纳机器人能够自主判断环境状况、理解任务需求并做出相应的决策和操作，从而更加高效、准确地执行更为复杂的任务。

4）制造成本降低

随着制造技术的不断创新和发展，通过优化游动微纳机器人设计和结构、研发新型材料、改进制造工艺，引入自动化和智能化制造技术，从而减少制造过程中的损耗，有望提高微纳机器人的制造效率和质量，进一步提高微纳机器人制造的稳定性和可靠性，降低制造成本，从而推动其规模化生产和应用。

5）集群智能化

微纳机器人集群在提升驱动效率与精确度、增强环境适应性与稳定性、自适应重构能力等方面具有显著优势。未来可以提出新型驱动方式或耦合驱动方式提高集群体的运动效率和灵活性，探索集群体个体之间的交互作用机制提升其感知与交互能力实现协同作业，引入人工智能和机器学习提升集群运动控制精度及任务复杂度。

6）临床应用拓展

在生物医学领域，游动微纳机器人有望用于微创手术、药物传递、细胞操作等任务。然而，目前其在生物医学领域的应用多停留在理论研究或实验室阶段，距离实现真正的临床应用仍然面临着重重挑战，包括高昂的成本、复杂的安全以及技术上的诸多难题。随着科技的不断进步和研究的深入，相信这些挑战和难题将逐一被攻破，游动微纳机器人在生物医学领域的临床应用有望实现重大突破。

1）探索新材料与新结构，提高微纳机器人驱动效率与稳定性

游动微纳机器人未来需要在复杂、狭小或特定的环境中执行任务，如生物体内、狭窄空间等。针对其面临的复杂苛刻运动环境，未来微纳机器人需要具有高度的适应性和灵活性，提高自身在复杂环境中高效、稳定的驱动能力。例如，探索具有新功能的新材料（如磁性材料、光敏材料及生物兼容性新材料等），借鉴自然界中生物的运动机制设计仿生结构优化驱动结构，开展游动微纳机器人的模块化设计研究，探究微纳机器人快速组装与拆卸机制，研究多种物理场（如磁场、电场、化学场等）的耦合机制，提高游动微纳机器人的驱动效率和适应性。

2）研究实时定位技术并结合人工智能技术，提升微纳机器人的运动控制精度

随着技术的不断发展，游动微纳机器人需要执行的任务越来越复杂，如微创手术、微细加工、细胞操作等，然而游动微纳机器人的尺寸小且重量轻，其在复杂环境中的运动精确度和稳定性难以保证。未来需要研究微纳尺度的传感检测机制，开展微纳传感器的相关研究，实现游动微纳机器人在复杂环境中的高精度测量及高响应速度，例如研究通过光学、磁学或声学等器件进行位置追踪和导航。发展并引入先进的控制算法，如强化学习、自适应控制、模型预测控制算法等，通过实时学习适应环境变化，结合机器人的动力学模型，预测并优化未来的运动轨迹，提高游动微纳机器人在动态环境中的运动控制精度，为精准医疗、纳米工程等领域的研究和应用提供更多可能性。

3）提升生物相容性与可降解性，实现微纳机器人的临床应用

尽管游动微纳机器人在体外治疗水平已取得重大进展，但是实现体内应用仍需要解决微纳机器人生物相容性、实时成像、安全性，克服各种生理屏障（如血脑屏障）等问题。针对目前微纳机器人材料易引发免疫反应或细胞毒性，且较难安全降解或回收的问题，未来需要探索新型生物相容性及可降解性材料，研究游动微纳机器人的可控降解机制，开展微纳机器人与生物体的相互作用机制研究，提升微纳机器人的生物兼容性与稳定性，实现安全降解或回收，并保证降解后的产物无毒、无害，且易于被生物体代谢排出。针对活体实验成像分辨率受限、实时成像困难的问题，未来需要加强跨学科合作，通过结合微纳3D打印技术、内皮细胞内衬和血管生成机制等先进技术，构建微尺度血管网络模拟生物体内微生理环境，提供成像/控制/微生理环境兼备的体外生物模型来辅助活体实验。此外，未来需要研发更先进的体内实时成像技术和操控设备，探索3D运动轨迹监测技术，推动游动微纳机器人在临床领域的进展和突破。