精子在進入卵子結合成為受精卵之前，具體需要多大的推進力才能將卵子膜「鑽透」？怎樣才能模擬精子等基於形變的軟體驅動？能否製造一種可精確開合的鑷子，來隨心所欲地操縱精子等細胞呢？
想要準確回答上述問題，需要一種靈敏度達皮牛（pN，10^-12N）量級的大形變彈簧。近期的一項科學進展，讓這種高精度測量成為可能。
中國科學院深圳先進技術研究院徐海峰副研究員團隊與合作者構建了包含彈性模量編程在內的 4D 納米列印技術，構建出靈敏度達到 500 飛牛（0.5pN）微米機器人，相當於一個細胞重力的千分之一。
並且，可精確定義彈性和磁化分布，響應精度高達 1μm/pN。在超過 100 次的疲勞測試中，皮牛彈簧系統能夠恢復 99% 以上的大形變，確保了工作的穩定性。
「我們構建的彈性體 4D 納米光刻技術，可以加工各類具備精細結構的柔性微米器件，比如可視化的皮牛級彈簧測力計、夾持力精確可控的無線微鑷以及純磁控仿生軟體微米機器人。」徐海峰表示。
圖丨相關論文（來源：Nature Nanotechnology）
近日，相關論文以《將超彈性皮牛彈簧作為板載傳感器和執行器的 3D 納米製造軟微型機器人》（3D nanofabricated soft microrobots with super-compliant picoforce springs as onboard sensors and actuators）為題發表在 Nature Nanotechnology 上[1]。
徐海峰副研究員為該論文第一作者兼共同通訊作者，德國萊布尼茨研究所麗安娜·麥地那·瑪麗安娜（Mariana Medina-Mariana）博士以及德國開姆尼茨工業大學奧利弗·施密特（Oliver Schmidt）教授為論文共同通訊作者。
圖丨4D 納米彈性體光刻策略製備各類軟體微米機器人的示意圖（來源：徐海峰）
這些「皮牛彈簧」能夠作為能量傳遞機制，用於定製化構建微米級的軟體機器人。具體來說，它們在被自由編程後，能夠作為驅動器將接收的動能轉化為勢能儲存起來。然後，在合適的時機將勢能按需釋放。
「皮牛彈簧」的尺度與單細胞大小相似，並集成感知和驅動功能，可執行抓取和運動等任務。這種將軟彈簧集成到 3D 納米製造的方法，能夠批量地生產軟體微米機器人，實現與細胞和組織等敏感目標的輕柔交互效果。
值得關注的是，「皮牛彈簧」屬於純機械控制的鑷子，它的優勢在於不需要改變所控制物體的周圍環境，而實現對控制物體的安全操作。
由於全程只有磁性參與，在進行細胞操縱任務中，不僅可實現不受 pH 值、溫度、雷射等因素影響的無干擾操縱，還可以精確地調節細胞夾持力。
因此，「皮牛彈簧」作為微米測力計、磁控夾持器等細胞尺寸的機器人系統應用領域廣泛，為細胞力學、細胞篩選和轉運等研究提供皮牛級精準、生物安全、可遙控的研究平台。
該研究有望開發可攜式細胞力學表征儀器以及自動化細胞操縱設備，為細胞生物學研究和微創手術治療提供有效支持。
首先，可作為微米夾持器（微米鑷子）能夠對靶向細胞進行無干擾的多自由度操縱，且不依賴於任何可能對細胞造成干擾的刺激。例如，應用在生物醫療領域進行精準操縱細胞、分選單細胞等。
其次，作為彈簧微米測力計，能夠實時、原位地精準測量細胞相關的力學表現。例如，測量精子、化學馬達和磁控螺旋等微納機器人的推進力（泳動力）。
再次，對靜態力進行皮牛級精準測量，包括表征細胞的機械性能、細胞的彈性模量、細胞的遷移力等。
另一方面，研究人員還利用微米企鵝和微米海龜兩種微米機器人進行應用驗證。實驗表明，微米企鵝和微米海龜可在僅由磁場遙控條件下，實現自由變形和軟體驅動。
圖丨皮牛級軟體微米機器人的加工與應用（來源：Nature Nanotechnology）
在此之前，微納機器人由於剛性限制，只能控制簡單的前進、後退、旋轉等動作。如果想讓它實現更複雜的動作，就需要在更小（10 微米左右）尺寸下，加上彈簧做成彈性體。
但是，彈性體光刻本身是極其複雜的問題，彈性體的 4D 光刻技術是整個研究的基礎。徐海峰等人構建的技術能夠實現微型彈性機器人的納米精度和定製化任意形狀的 3D 列印。也就是說，該技術在 3D 列印基礎上加上彈性維度，從而達到 4D 列印的效果。
圖丨皮牛彈簧陣列表征示意圖（來源：Nature Nanotechnology）
徐海峰指出，根據文獻報道，人體在 8 特斯拉以下即為安全磁場，而我們的皮牛彈簧磁場強度為 10 豪特。在保證組織內穿透能力強的基礎上，對於所有的生命體是絕對安全的。
圖丨徐海峰（來源：徐海峰）
徐海峰本科及碩士畢業於北京大學藥學院，在德國萊布尼茨固態與材料研究所以開放設計的生物復合機器人及其醫學應用為研究課題，師從德國科學與工程院院士奧利弗·施密特（Oliver Schmidt），並以博士最優等學位（summa cum laude）畢業。
隨後繼續在該校從事博士後研究，研究方向為細胞傳感與轉運的 3D 納米光刻器件。2020 年 8 月，他加入中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所擔任副研究員。
此前，他曾設計世界首個彈性機關觸發的抗癌精子機器人，即一種類似於四足機器人的彈性機構。這種微型機器人可以「抓住」精子並精準遞送到癌細胞，作為一種用於婦科癌症治療的靶向給藥新手段[2]（DeepTech 報道：精子添加導向裝置搖身變成靶向給藥新手段，將用於婦科癌症治療）。
當然，本次的新研究也有一些待解決的問題，例如該機器人系統尚未完全實現自動化，即對外界進行感知後實現自主控制反應。基於此，該課題組下一步計劃未來向自動化控制的細胞操縱平台，以及自動化控制的極低生物力測量平台繼續深入研究。
參考資料：
1.Xu, H., Wu, S., Liu, Y. et al. 3D nanofabricated soft microrobots with super-compliant picoforce springs as onboard sensors and actuators. Nature Nanotechnology (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01567-0
2.Xu,H. et al. Sperm-Hybrid Micromotor for Targeted Drug Delivery.ACS Nano 2018, 12, 1, 327–337. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b06398
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