科学网—光学驱动微型机器人：驱动机制、应用和未来趋势 - 齐

热门资讯 2025年08月20日 16:14 1 admin

光学驱动微型机器人

——驱动机制、应用和未来趋势

By 齐云龙

关键词：光驱动光驱动微型机器人驱动机制光热驱动光化学驱动

微型机器人能够在微尺度上完成复杂任务，在生物医学和环境监测等领域展现出巨大的应用潜力。作为可再生能源，光被广泛应用于能源和信息传输。随着光束调制和光学显微镜技术的成熟，光驱动微型机器人在可编程性、高分辨率、非接触性、高精度和良好生物相容性等方面成为微型机器人领域的研究热点。

近日，烟台理工学院王晓雯等在《Lab on a chip》上发表了题为“Optical-driven miniature robots: driving mechanism, applications and future trends（光学驱动微型机器人：驱动机制、应用和未来趋势）”的综述文章，系统介绍了光驱动微型机器人的驱动机制，总结了其驱动控制和应用能力的进展，并展望了其未来发展趋势。可为光驱动微型机器人的发展提供新思路，推动其技术进步和应用。特此推荐。

文章首先介绍了光驱动微型机器人的研究背景。微型机器人尺寸范围从厘米到纳米，能够进入人体血管和细胞间隙等复杂小空间，完成药物递送、疾病诊断和细胞操控等任务，在生物医学、环境监测和微型制造等领域具有广阔的应用前景。然而，传统的微型机器人驱动方法，如化学和电驱动，存在能量供应有限、易污染环境和难以实现高精度控制等问题。相比之下，光驱动具有非接触远程控制、高空间分辨率、精确调节、无环境污染和良好生物相容性等显著优势，使光驱动微型机器人成为近年来的研究热点。

文章详细介绍了光驱动微型机器人的材料选择。光热材料能够吸收光能并转化为热能，进而驱动微型机器人。金属纳米材料（如金纳米棒）、碳基材料（如石墨烯）和MXene纳米片是典型的光热材料。光催化材料则通过光生载流子的强氧化还原能力实现驱动，常见的有二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）和硫化镉（CdS）。此外，光诱导变形材料如液晶弹性体（LCEs）和水凝胶也因其独特的光响应特性被广泛研究。

在驱动机制方面，文章讨论了光热驱动和光化学驱动等多种驱动方式（见后附表）。光热驱动基于材料吸收光能转化为热能，通过热膨胀、相变或光热效应实现驱动。例如，基于形状记忆合金（SMA）和水凝胶的微型机器人在光热驱动下展现出优异的运动性能。光化学驱动则依赖于材料在光照下的化学反应，如自扩散驱动、自电泳驱动和气泡驱动。这些驱动机制为微型机器人的多样化设计提供了理论基础。

文章还总结了光驱动微型机器人的应用进展。在环境监测领域，光驱动微型机器人能够高效降解水中的抗生素和微塑料污染物。例如，基于光催化剂的微型机器人通过光催化降解反应实现自主推进，有效去除水中的磺胺类抗生素。在生物医学领域，光驱动微型机器人可用于药物递送、细胞操控和疾病治疗。例如，基于金铜的微型机器人在近红外光照射下聚集并产生高温，可用于肿瘤的光热治疗。

最后，文章展望了光驱动微型机器人的未来发展趋势。随着多学科交叉的深入，光驱动微型机器人的研究将朝着更高精度、更复杂功能和更广泛应用的方向发展。例如，结合光学、磁学和生物技术的混合驱动微型机器人有望在体内复杂环境中实现精准操作。此外，新型材料的开发和制造技术的进步将进一步提升光驱动微型机器人的性能和应用范围。

表：各驱动方式的优缺点

驱动方式	优点	缺点
光热驱动	- 响应速度相对较快，可实时调节	- 热扩散易导致空间精度降低，难以实现微纳级精确控制
- 驱动能源简单	- 连续加热可能导致材料降解或热损伤
- 能量转换效率相对较低（部分热能被耗散）
光化学驱动	- 驱动阈值低，对光强度的要求温和	- 反应过程中可能产生副产物
- 可在分子水平实现精确控制	- 光穿透深度相对较浅
光学镊驱动	- 极高的空间精度	- 驱动范围较小（仅在激光焦点附近）
- 适用于生物样本的精确操控	- 设备成本较高
光学机械驱动	- 快速响应速度	- 光压驱动力相对较小
- 驱动过程中无化学反应	- 需要高功率激光
- 材料兼容性强	- 光学系统精度要求高
生物驱动	- 优异的生物相容性，适用于体内或生物界面应用	- 驱动可控性差
- 高能量转换效率	- 弱环境适应性（需要适宜的温度、pH 等）