隨著我們周圍的技術(shù)進(jìn)入非常規(guī)領(lǐng)域，例如戒指和眼鏡，小型化和微組裝的奇跡重新定義了規(guī)則。小型化是指使產(chǎn)品和設(shè)備變得更小的趨勢，特別是在電子、機(jī)械和光學(xué)領(lǐng)域。另一方面，微組裝是將通常小于 1000 微米的微尺度組件精確縱、定向和組裝成復(fù)雜的功能性混合微系統(tǒng)，例如微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 中的微系統(tǒng)。

小型化和微組裝這兩個概念是電子行業(yè)最相互關(guān)聯(lián)的主題，為從家庭到電器、從道路到車輛的下一代技術(shù)革命提供動力。這個龐大的應(yīng)用迫使我們跟蹤和了解該技術(shù)的最新動態(tài)，同時也要考慮該行業(yè)必須提供的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。醫(yī)療電子領(lǐng)域的最新研究揭示了導(dǎo)致新微系統(tǒng)開發(fā)的某些挑戰(zhàn)。以下文章旨在揭示這些最新的觀察和發(fā)展。

異構(gòu)集成有什么問題？

隨著宏觀器件轉(zhuǎn)化為微/納米尺度的對應(yīng)器件，電子器件、微機(jī)電結(jié)構(gòu)（MEMS）和光電器件等組件在同一基板上的集成是一個有爭議的問題。這是因?yàn)橛捎诳s放效應(yīng)，不同的物理力以不同的比例表現(xiàn)出來。

例如，主要源自表面張力、范德華力和靜電力的附著力是顯微縱的基本局限性。特別是，當(dāng)部件尺寸小于 1 mm 時，物體之間的粘附力與重力相比是顯著的。這意味著，隨著組件（目標(biāo)物體）變小，表面積與體積比增加，導(dǎo)致更明顯的縮放效應(yīng)，從而在微型器件的制造中產(chǎn)生困難。

所有這一切都是因?yàn)殡S著我們從宏觀尺度轉(zhuǎn)向微觀尺度，物理考慮因素發(fā)生了變化。早期進(jìn)行的研究表明，微型/納米機(jī)器人對環(huán)境參數(shù)很敏感，并且不同介質(zhì)中的主導(dǎo)力是不同的（只有范德華力無處不在）。

隨著鱗片的減小，必須使用光學(xué)或電子顯微鏡研究肉眼看不見的物體。雖然控制每個物體的能力減弱，但它們的集體屬性變得更加重要。這些與尺度相關(guān)的物理原理需要不同的策略來設(shè)計(jì)微米和納米水平的器件。自然地，宏觀尺度上直接的挑戰(zhàn)在這個領(lǐng)域變得更加復(fù)雜。

當(dāng)我們開始探索使用該技術(shù)的各個領(lǐng)域時，微組裝/微作工藝的設(shè)計(jì)必須考慮這些因素，以隔離不需要的干擾，這在實(shí)踐中是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

解決方案是什么？

根據(jù)發(fā)表在愛思唯爾《工程月刊》上的一篇論文，它討論了這個問題以達(dá)成解決方案。本文討論了各種解決方案，其中之一是 Yu 等人的多聚體設(shè)計(jì)，研究人員將幾小塊不同材料組合成一個相連的組。這確保了早期容易因較高力而粘附的納米顆粒被防止首尾滾動，從而不斷改變接觸點(diǎn)。這種動態(tài)運(yùn)動減少了接觸的時間和面積，因此粘連性較弱。

這在邏輯上轉(zhuǎn)化為具有不同幾何形狀和材料的不同微尺度組件的建筑組件。組裝的設(shè)備通常通過非共價相互作用進(jìn)行縱，對溫度、壓力和流量等環(huán)境刺激做出反應(yīng)。最終，該論文建議使用磁場、光場和聲場以及機(jī)械方法來產(chǎn)生微/納米尺度的驅(qū)動功率。此外，由于其快速響應(yīng)和遠(yuǎn)程控制能力，基于磁場的方法為一維 （1D） 到 3D 微組裝提供了途徑。

雖然有多種方法，但我們現(xiàn)在只關(guān)注電磁原理。納米顆粒的磁場誘導(dǎo)組裝 （MFIA） 允許磁顆粒在磁場的影響下進(jìn)行一維、二維 （2D） 或 3D 組織。這是指粒子在磁場內(nèi)的自動和自發(fā)排列，而不是由人工移動目標(biāo)引起的組裝。實(shí)驗(yàn)還表明，即使在體內(nèi)應(yīng)用中，在均勻強(qiáng)度的磁場下，納米顆粒也會以線性、鏈狀或六邊形圖案排列。

因此，利用外部磁場，可以制造編程設(shè)備，將它們變成磁驅(qū)動的微型機(jī)器人。使用相同的原理，磁控微型機(jī)器人已被用于多種不同的微組裝任務(wù)。組裝好的塊狀、球形和片狀磁摻雜裝置可用于輔助機(jī)器人推動不同的單元進(jìn)行微型部件的組裝。

這如何提高抓地力和控制力？

電磁場可以精確控制磁性微型單元。通過對其磁響應(yīng)進(jìn)行編程，這些單元可以以定向方式移動并組裝成所需的結(jié)構(gòu)或群體。臨時錨固方法（如水凝膠或機(jī)械鎖）可防止意外移動，確保組裝完成前的穩(wěn)定性。先進(jìn)的設(shè)計(jì)，例如四極桿模塊，還可以最大限度地減少相鄰單元之間的干擾。這些技術(shù)共同提高了裝配過程中定位精度和微型部件的抓握力或穩(wěn)定性。

另一種微組裝方法使用磁性微夾持器，可以固定和運(yùn)輸單個單元。與主要將部件推入到位的磁性微型機(jī)器人不同，微型夾持器可以直接抓取它們，從而實(shí)現(xiàn)更精確和復(fù)雜的 3D 組裝。

總之，組裝的磁性微型機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場下表現(xiàn)出多功能且可控的推進(jìn)力，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸、攪拌和靶向輸送等功能。雖然磁性微立方體等人工設(shè)計(jì)展示了用于細(xì)胞運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)化組裝，但生物混合微型機(jī)器人通過將磁性材料與活細(xì)胞集成來擴(kuò)展這些可能性。此類創(chuàng)新，包括能夠進(jìn)行 3D 導(dǎo)航和藥物輸送的基于巨噬細(xì)胞的機(jī)器人，凸顯了磁性微型機(jī)器人在先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中不斷增長的潛力。

應(yīng)用

這些微組件可以形成不同的幾何形狀，并且隨著磁場的逐漸消散而很容易解耦。這種結(jié)構(gòu)重組的靈活性使他們能夠適應(yīng)和克服不同的環(huán)境限制。將編程磁性組件擴(kuò)展到具有編程方向和結(jié)構(gòu)的生物材料，自由基對生物材料的順磁性已被用于賦予不同任意性的磁性組件具有編程方向和結(jié)構(gòu)。

最終，磁性器件的使用為微生物學(xué)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。當(dāng)這些單元通過閉環(huán)控制發(fā)揮作用時，例如在藥物輸送中，它們可以被歸類為微型機(jī)器人，而不僅僅是微圖案組件。

帶有磁性微型機(jī)器人的微型組件：應(yīng)用外部磁場既可以將不同的組件轉(zhuǎn)換為編程設(shè)備，也可以將它們變成磁驅(qū)動的微型機(jī)器人。本節(jié)總結(jié)了組裝微型機(jī)器人的磁驅(qū)動和導(dǎo)航。這些微型機(jī)器人可分為兩種主要類型：用于機(jī)器人輔助組裝的磁驅(qū)動微型機(jī)器人和作為載體或輸送器的組裝游泳磁性微型機(jī)器人。

1. 仿生微型機(jī)器人：磁控仿生微型機(jī)器人在微組裝任務(wù)中顯示出巨大的潛力。不同的幾何形狀（例如塊、球體、薄片和立方體）使它們能夠在流體和固體環(huán)境中推動、抓取或運(yùn)輸組件。

1. 磁性微型夾持器：這些是能夠抓取和運(yùn)輸單元的微組裝工具，比基于推動的微型機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的 3D 組裝。它們采用磁性和非磁性樹脂的數(shù)字光處理 3D 打印等技術(shù)制造，可以在磁場的遠(yuǎn)程引導(dǎo)下在密閉空間內(nèi)運(yùn)行。

組裝游泳磁性微型機(jī)器人作為載體或輸送器：組裝式磁性微型機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動下，可以在不同的流體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可控的推進(jìn)。它們可以配置成鏈狀結(jié)構(gòu)以運(yùn)輸細(xì)胞或充當(dāng)微攪拌器。除了人工設(shè)計(jì)之外，生物混合微型機(jī)器人（例如基于巨噬細(xì)胞的系統(tǒng)或趨磁細(xì)菌）還可以實(shí)現(xiàn)精確的藥物遞送和癌細(xì)胞靶向。這些基于細(xì)胞的微型機(jī)器人能夠形成二聚體、三聚體或四聚體，對光等環(huán)境線索做出反應(yīng)，提供多功能且有針對性的遞送應(yīng)用。

突出的挑戰(zhàn)

雖然這項(xiàng)技術(shù)擁有巨大的潛力，但它也帶來了一些需要應(yīng)對的固有挑戰(zhàn)。下面列出了其中一些：

1. 小型化和生產(chǎn)：空間限制和規(guī)模不匹配需要雙光子聚合等先進(jìn)方法。

2. 處理易碎物體：柔性結(jié)構(gòu)（例如神經(jīng)電極）需要高精度;目前的方法成本高昂或缺乏準(zhǔn)確性。

3. 反饋限制：視覺系統(tǒng)在封閉環(huán)境中會失效;替代方案包括 Fiber Bragg 傳感器、微型內(nèi)窺鏡和 MRI 兼容機(jī)器人。

4. 自動化：過度依賴視覺會降低魯棒性;自主導(dǎo)航需要強(qiáng)化學(xué)習(xí)等高級策略。

5. 安全性：金屬磁性殘留物存在風(fēng)險(xiǎn);生物友好型載體有幫助，但仍缺乏安全的去除方法和標(biāo)準(zhǔn)化評估。

總之，MFIA 和磁性微型機(jī)器人為微組裝提供了多功能的遠(yuǎn)程控制工具，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域具有強(qiáng)大的潛力。它們的更廣泛采用和臨床應(yīng)用將取決于克服關(guān)鍵挑戰(zhàn)——實(shí)用性、復(fù)雜的幾何形狀、封閉環(huán)境中的可靠反饋、更高的自動化程度和材料安全性。