微观科学里的奥秘 ——微型机器人的神奇旅程

眼睛看到的就是真实吗？相信所有人都会立马给出否定的答案。“饭前勤洗手”就是一个最直接的例子，我们的手上有很多细菌，它们真实存在，却又小到无法用肉眼所看见。现在我们知道，许多我们看不见或是看不清的东西，并不是不存在，只不过是因为它们相对于我们来说，是属于另一个看不到的微观世界，但事实上，我们所处的宏观世界也是由微观世界组成的。

就好比一张桌子，人们常常能说出它是木头材质的、石头材质的，但上升到微观层面，它就是由无数的原子、分子所组成。对于微观世界，大多数人都知道并接受它的存在，但对这个“看不见、道不明”的世界，我们依然有着许多的疑惑，充满了好奇，不禁想要深入其中，探索更多的奥妙。

科幻电影中，常常能看到将宏观物体缩小到微观尺寸后，物体可以发挥出神奇作用的桥段[1]。早在1966年的美国电影《神奇旅程》，就以大胆奇特的想象力将人的血管比作宇宙，精彩地展现出人体内各系统的微观模样，为人们深入探索微观世界开辟了一片奇幻的新天地。5名医生被缩小了几百万倍，并置于胶片中，而后被注射进人体内完成了一场惊险的血管手术，在过去看来，这似乎是天马行空、不可思议的想象，就像孙悟空的七十二变一样，只能存在于美好想象中。但我们必需承认，电影中的美好幻想，其实就是一种人们对现实的期盼与需求。现如今，伴随着微观科学领域的深入发展，越来越多的新型微型制备技术被研发出来，过去的幻想在一步一步地走近现实，好像没有什么事情是不可能的。

图1. 《神奇旅程》剧照（来源于网络）

什么是自驱动微马达？

近年来，自驱动微马达技术作为微观科学领域中的一个重要方向，其发展非常迅猛，在环境污染监测、药物的体内递送、水体净化、DNA识别等应用中都取得了巨大进步。自驱动微马达，顾名思义，其最大的特征就是其形貌小，尺度在微纳米级别，就像一个微型机器人一样，并且可以自发的运动，这主要是因为这个微型机器人能将环境中其他形式的能量转化成动能，进而实现运动。

当然，这些微型机器人也是非常有“个性”的，它们有的喜欢光，就像飞蛾一样在黑暗中奋不顾身地飞向光明；有的喜欢磁，只要一有磁场，就立马被吸引上前；还有的喜欢化学物质，可以在过氧化氢、水、甚至是生物体液中驰骋遨游……研究者们也依据它们对“驾驶工具”的喜好进行了分类，主要为五种：光驱动型、磁驱动型、化学驱动型，电驱动型、超声驱动型。此外，这些微型机器人就像有生命一般，有的单独活动，有的抱团活动；有的直线行驶，有的绕圈行驶，可谓是“个性”鲜明啊！

图2. 黑暗中“扑火”的飞蛾（来源于网络）

其实，关于微马达的研究最初是源自于一个有趣的化学实验，2002年，哈佛大学Whitesides教授等[2]利用金属铂具有催化过氧化氢产生气泡的性质，成功设计研发了一种以过氧化氢为燃料的自驱动器件。

这个实验引起了广泛的关注，研究者们由此开始致力于自驱动微纳米尺度器件的研究，正式拉开了微马达研究的序幕。2004年，第一个穿金戴铂的微型机器人——催化型微马达被研制出来[3]，从此微马达开始进入快速发展时期。

图3. (a)自驱动器件[2]；(b)穿金戴铂的微型机器人[3]

随着微马达技术的不断完善，越来越多用于制备微马达的方法也被研发出来，如模板辅助电沉积法、物理气相沉积法、卷曲法、Pickering乳液法等，这些方法各具特色，可以合成不同形状的微型机器人，如管状、螺旋状、球状等。

图4. 不同形状的微马达：(a)螺旋状[4]；(b)球状[5]；(c)花生状[6]；(d)管状[7]

自驱动微纳米马达作为一种智能型器件，其微型尺寸及独特的自主运动性能，使其在诸多领域中有着良好的应用效果，研究者们也精益求精，对其运动性能也提出了更高的要求，期望对微马达的运动实现更加精准可控的操纵，因此，磁场、超声场、电场等手段被研制出来，用于对这个微型机器人的运动行为进行操控。

自驱动微马达有什么用？

1．药物递送

正如《神奇旅程》所想表达出的美好愿望一般，科学家们一直致力于研究能够进入人体完成治疗目的的微型机器人，幸运的是，打造这种体内的“外科医生”正逐步从梦想转变成现实。目前科学家们通过努力已经制备出能够负载药物的微型机器人，就好比给药物安装了“眼睛”和“翅膀”，让其在体内达到更加精准高效的治疗目的。

图5. 体内的“外科医生”（来源于网络）

有一种微管马达[8]，其表层为聚天冬氨酸，可以吸附用于治疗癌症的化疗药物——阿霉素(DOX)；中间层为铁，用于提供磁性导航功能；内层为锌，用于在胃部酸性环境中发生产气反应，实现自驱动。通过小鼠动物实验发现，装载了DOX的微管马达在进入体内后能被磁性定位到达胃粘液凝胶层，并被捕获，而后缓慢释放浓缩的DOX于胃壁上，最终达到治疗的目的。整个过程由于构成微马达的材料，包括铁、锌和聚天冬氨酸微管，都可以在消化道中被胃酸或蛋白酶分解，因此并不会产生毒性反应。相信不久的将来，微型机器人一定会真正实现临床生物医用，颠覆很多疑难病症。

图6. 装载DOX的微管马达在胃中的应用[8]

2．环境治理

神奇材料石墨烯，可作为多种重金属离子的有效吸附剂。根据这一特性，采用模板电沉积法设计出基于氧化石墨烯的微纳米马达[9]，用于去除水环境中的重金属，达到水体净化的目的。微型机器人还可以安装捕碳工具[10]，也就是表面修饰了碳酸酐的铂基微马达，在过氧化氢存在时，其可发生运动，并有效捕获CO2，这对于减少环境中的CO2是一种新型方法。

有关自驱动微马达的应用还有很多，比如说细菌检测、食品安全检测等等，可以毫不夸张地说，自驱动微马达技术作为一个载体，将多学科进行融合[11]，结合多种多样的技术，组成新型的、智能型的装置，在微观世界中大放异彩。微马达虽小，但却是微观科学中的重要发现；微观科学虽只是一类科学，但却是打开微观世界奥秘大门的一把钥匙；微观世界虽肉眼不可见，似乎离我们很远，但它却构成了我们整个世界最神秘的一块。

尽管自驱动微马达技术目前发展迅猛，种类也越来越多，但其作为一个新兴技术，仍存在许多不足之处，仍面临着许多挑战。除去在科学技术上的专业瓶颈外，最为突出的问题就是大众对其尚不了解，但想想1966年的电影，想想当下的微马达技术，我们有理由相信人类发展着科学，科学推动着社会进步，再奇幻的事情，也许有一天也能从大屏幕中走向现实，带我们开启一段神奇旅程。