2022全球医疗微纳机器人技术现状及产业发展前景研究报告

05Chapter1 历经三十年，开拓微纳米尺度医疗操作 新时代——定义微纳机器人及其技术溯源 微纳机器人分类技术溯源 发展阶段 代表性科研成果 18Chapter2 微纳机器人六大技术环节 设计制造驱动 定位反馈 集群化控制功能化 34Chapter3 微纳机器人在医疗领域应用的技术瓶颈与前景 微纳机器人在医疗领域的具体应用 产业化阶段技术瓶颈商业化挑战 在1966年的科幻电影《神奇旅程》中，描绘了一个激动人心的场景：一艘缩小的潜艇可以在人体血管中航行，清除血栓。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科技的正式诞生，至今纳米科技已发展了30年。随着纳米科技和微纳机器人技术的发展，上述场景可能在10-20年后成为现实，甚至能做到更多：递送药物、手术、诊断、医学成像等等。 随着微纳技术的发展，微纳学科的认知范围从最初特指一些微纳米器件，慢慢发展到所有涉及到微米纳米尺度的物质、系统。微纳机器人是一个交叉而精密的学科应用，对应的载体是电子、机械、材料、物理、化学、生物、医学等多学科及技术的高度交叉融合体，同时还是一个复杂的工程化机械操作系统结构。 当前，科研界和产业界在讨论微纳机器人时，其实在讨论的就是医疗微纳机器人，这是微纳机器人当前最集中的应用场景。从人体到组织、再到单细胞、单分子，人类对于生物体的研究已经进入了分子尺度的操作时代，医疗微纳机器人为人类跨越至微纳米尺度的医疗操作时代提供了新的视角与工具，为21世纪的精准医疗迈入下一阶段奠定了技术基础、打开新思路。 在本次研究中，DeepTech研究团队通过专家访谈、桌面调研、文献统计等方式，试图回答什么是微纳机器人技术、技术原理、技术发展历程、目前的发展现状、代表研究团队、产业化面临的挑战等问题。 纵观纳米技术的发展，单纯的合成一种纳米材料并研究他们的特殊性质的时代在慢慢过去。未来，人们会更关注如何把纳米材料整合成一个复杂的器件甚至系统，能够完成更复杂的任务，（医疗）微纳机器人即为其中一个重要方向。 医疗微纳机器人目前仍处于中早期科研探索阶段，距离临床应用仍需解决大量的真实场景和工程化问题，比如在体内实现精准的运动控制、材料的可降解性和安全性、如何穿过体内的生物屏障等等，这些交叉技术难题带来的困难复杂而棘手。而科学研究的思路是可以将复杂问题拆分为很多简单的问题，一步步攻克，积少成多，从量变到质变，整体而言，我们对微纳机器人的发展前景持乐观态度。 微纳技术中的“微纳”是个尺度概念，包括“微”和“纳”两个层面，即微米技术和纳米技术。关于微米技术这一技术分支比较典型的体现，是在微米尺度（0.1μm到100μm之间， 以光学显微镜为观察手段，又称显微尺度）形成结构，从而制成微器件、微系统、微电路、微处理器、微流控芯片、微型光源、微机械等，而其科学分支主要涉及电子科学、光学等领域，延伸到生命科学领域，细胞的大小在几微米到几百微米之间，同样也属于微米尺度。 纳米技术是指在纳米尺度（0.1nm到l00nm之间，又称介观尺度）上研究物质的特性和相互作用，比如原子和分子，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术，是20世纪90年代末新出现的概念。当物质小到1-100nm时，会呈现出体积效应﹑表面效应﹑量子尺寸效应 ﹑量子隧道效应和介电限域效应等等，既不同于宏观物体，也不同于微观单个原子的奇异现象，导致了纳米材料在熔点、蒸气压、光学性质、化学反应性、磁性、超导及塑性形变等许多物理和化学方面都显示出特殊的性能。纳米技术的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。此外，纳米结构还为低成本加工提供了新的令人兴奋的机会。 微纳的概念从最初特指微纳米器件，慢慢与电子、机械、材料、物理、化学、生物、医学等多学科融合，出现微纳材料与结构、微纳电子器件与加工测量技术、微纳机电系统、纳米催化等各领域。从靠自组装等物理、化学合成方式做纳米结构，到随着微纳制造工具的进步，通过电子束曝光、紫外光刻等微加工的方式直接按照图形化的目标，在微观尺度或介观尺度上构建以前在不存在的结构。 微纳技术的研究主要包括: •纳米技术：包括纳米电子、纳米物理、纳米材料与器件、纳米能源、纳米催化、纳米化学、纳米生物等; •微纳加工技术：包括电子束光刻、紫外光刻、原子层沉积、纳米压印、激光直写、扫描探针直写、图形转移、封装工艺开发、微纳3D打印技术等； •微机电系统（MEMS）：包括光刻、刻蚀、镀膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术； •微流控技术：使用微管道（尺寸为数十到数百微米）处理或操纵微小流体（体积为纳升到阿升）的系统所涉及的科学和技术，微流控装置通常被称为微流控芯片，也被称为芯片实验室 （LabonaChip）和微全分析系统（micro-TotalAnalyticalSystem）。 而微纳机器人是建立在微纳技术基础上、生物医学领域应用的一个前沿方向。 Chapter1 历经四十年，开拓微纳米尺度医疗操作新 时代——定义微纳机器人及其技术溯源 •微纳机器人的定义和分类 •微纳机器人技术溯源和发展阶段 •微纳机器人的代表性科研成果 微纳机器人类型：微型机器人和纳米机器人 微纳机器人（Micro/Nanorobot）泛指在微纳米尺度的小型机器人，分为微型机器人 （Microbot/Microrobot）和纳米机器人（Nanorobot）。关于微/纳机器人的具体尺度目前学术界没有严格的定义，有说法是0.1-100微米/纳米，也有说法是1-1000微米/纳米。通常机器人至少有一个维度达到了微/纳米尺度，就可以称为微型/纳米机器人。 从广义上来讲，只要在微纳米尺度能够进行运动和操作的系统都可以叫做微纳机器人，因此又称为微纳机器（Micro/Nanomachine）、微纳马达（Micro/Nanomotor)等。 马达：具备驱动能力机器：执行特定功能机器人：运行预定程序， 甚至具有智能 微纳机器人是一个综合性非常强的多学科前沿交叉领域，在纳米材料方向与柔性电子、可重构表面、主动超材料等领域联系紧密，制造微纳级别的机身、传感器、驱动器涉及微纳加工等工程学技术，运动控制和智能化与机器人学、自动化、计算机科学相关，机器人的驱动涉及能量转换、流体物理，对机器人体内定位反馈需要医学影像学，机器人的设计从仿生学中汲取灵感，功能化实现、细胞表面修饰与化学、分子生物学相关，突破体内生物屏障、细胞的培养和自组装、DNA分子的设计需要具备解剖学、细胞生物学、生物化学、合成生物学等背景，而最终的医学应用，又需要与临床医生紧密合作。 根据构成材料的不同，微纳机器人可以分为人工型、生物型、和生物混合型三种。生物型机器人是由天然生物材料制成的，具有出色的生物相容性。人工微纳机器人可以自驱动，也可以由外部场驱动，具体取决于提供的能量的方式。 微纳技术的成熟与微纳操作的场景需求，共同推动微纳机器人技术的出现 随着机器人科技的飞速发展,机器人广泛应用于现代的生产和生活中。机器人有多种类型,整体尺寸从微观到宏观不等。通常,工业生产、服务行业和军事领域中都能看到宏观机器人的身影。然而,在某些特定情况,如体内介入诊断和治疗,宏观机器人往往由于尺寸过大而受到限制，因而出现了体积更小的机器人的需求。 功能性纳米材料、纳米催化、微纳加工技术等纳米科技的飞速发展，为机器人技术和微纳生物学/纳米医学之间的结合,找到了一条可行路径，微纳机器人应运而生。人们希望通过给微纳机器人提供指令和动力，在远程进行控制，在微纳尺度上执行任务，并且具有优异的灵活性和适应性。 微纳机器人的概念最早由美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼教授于1959年提出。他认为人类未来有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个原子作为构件，在非常微小的空间里构建物质。而在1966年的科幻电影《神奇旅程》中，首次出现了医疗微纳机器人的概念。影片畅想了一次冒险之旅，一艘潜艇及其船员被缩小成细胞大小的微型潜艇，使他们能够在患者体内航行，清除血栓。 四十年来,微纳机器人已发展为一个新的前沿热点研究领域，是微纳生物学中最具有吸引力的部分。由于体积小巧，医疗微纳机器人可以进入人体内部复杂而狭窄的区域，例如脑血管的远端和胆管，而现有的微创医疗设备和传统机器人有时无法进入，微创手术无法实施，具有生物探测、智能载药、血栓清除、微创手术、杀死肿瘤细胞等各种应用前景，小小的微纳机器人可以让想象力自由驰骋。到目前为止，已经有几十种具有不同设计、功能类型、驱动模式以及用于定位和反馈的成像策略的微纳机器人具有生物医学应用的潜力。 此外,微纳机器人在纳米加工、高端制造、重金属检测、污染物降解以及军事领域之中的应用也不容小觑。许多国家纷纷制定微纳机器人相关战略和计划，投入巨资抢占微纳机器人战略高地。 微纳机器人的研究历程与纳米科学的发展紧密相关 尽管关于微纳机器人的设想在1959年就已经出现，但直到上世纪90年代纳米技术的兴起，才带动了其研发与应用的起步。 1500 1000 500 0 年份 论文发表数量 分别以“Micro/Nano+Robot/Motor/machine”为关键词在Pubmed数据库中进行检索： 如图所示，关于微纳机器人技术的研究从1966年左右起步，中间零星有一些研究成果，2003年开始加速发展，尤其在2010年之后，研究成果密集涌现，每年有数百篇论文发表，领域呈现出爆发的趋势。与同样建立在纳米技术基础上的有关纳米材料的研究发展趋势非常类似。 10000 8000 6000 4000 2000 0 年份 论文发表数量 以“NanoMaterial”为关键词在Pubmed数据库中进行检索： 目前微纳机器人的研究处于从“生物化”和“分子化”走向“智能化”的阶段 回溯过去四十年，微纳机器人的发展大致可以分成五个阶段： •流体力学、纳米材料和结构化学、分子生物学等上游学科的发展 •扫描隧道显微镜、微纳加工技等观测和加工技术的出现 基础研究 01 •模仿宏观机器人的原理，制造微纳机器人，主要由机械系统构成 •可在体外进行驱动和控制 微型化 02 •将生物系统和机械系统有机结合的微纳机器人，具有更好的生物相容性 •可在人体内航行，运送药物、清除血栓，创口修复等等。 生物化 03 •直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置 •可进行纳米操作，比如在细胞中修复损伤的DNA 分子化 04 •植入纳米芯片实现人机交互，具有智能和运算能力，成为真正的智能微纳机器人 智能化 05 基础研究 •1982年，IBM苏黎世的实验室G.Binnig和H.Rohrerr领导的研究团队成功研制扫描隧道显微镜——研究纳米技术的重要工具，极大的促进了表面科学以及纳米科学的发展，二人凭此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。 •1989年，IBM的科学家利用扫描式隧道显微镜（STM）操作35个氙原子在镍金属表面拼出I－B－M三个字母，开创纳米微操作先河。 •1990年末，未来学家、纳米技术先驱RobertFreitas在论文中提出了可以帮助运输氧气的纳米机器人的设想，并详细介绍了其类金刚石外壳等设计要求，成为很多医用纳米机器人的讨论的参考标准。 •2006年，日本东京大学的研究团队成功地将两个分子机器组装在一起，形成了一个类似“钳子”分子机器复合体，紫外线和可见光能够为这个分子机器提供动力。 •2010年5月，美国哥伦比亚大学的研究团队成功研制出一种由DNA分子构成的“纳米蜘蛛”机器人，它们能够在二维物体表面自由地跟随DNA的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止。 •2022年4月，中国科学院沈阳自动化研究所，在飞秒激光微纳加工领域及生物学应用取得新进展，构建了双波长飞秒激光加工系统，可实现大范围、三维高精度微纳加工。针对细胞行为学和细胞团簇捕获的研究需求，提出了单脉冲飞秒激光双光子聚合