磁声双驱仿生双足微行走机器人：细胞操控的新突破

《Cell Reports Physical Science》：Bio-inspired biped microwalker with magneto-acoustic actuation for cell manipulation

本研究针对微米尺度下细胞操控精度与效率不足的难题，开发了一种可通过振荡磁场实现直线步态、声场驱动实现高速运动的双足微行走机器人。该磁声混合驱动系统（magneto-acoustic actuation）成功演示了CHO细胞运输和胶体粒子图案化功能，为生物医学领域的微操作提供了新型多模态操控平台。

　　

在生物医学工程领域，如何实现对单个细胞或微米尺度物体的精准操控一直是科学家们面临的重大挑战。随着微纳机器人技术的快速发展，研究人员开始模仿自然界中高效的运动方式，试图开发出能够在微观世界中自由"行走"的微型机器人。然而，在微米尺度下，流体的粘性力占据主导地位，惯性力几乎可以忽略不计，这种低雷诺数（low Reynolds number）环境使得宏观世界的运动规律完全失效。根据著名的珀塞尔扇贝定理（Purcell's scallop theorem），只有非互易运动才能在这种环境中产生净位移，这为微米尺度机器人的设计带来了独特挑战。

传统的微机器人通常依赖单一的驱动方式，如磁场、声场或化学驱动等，但这些方法各有局限性。磁驱动虽然具有较好的生物相容性和穿透能力，但在微米尺度下产生的磁力较弱；声驱动能够提供强大的推进力，但控制的精确性不足。为此，美国特拉华大学的研究团队在《Cell Reports Physical Science》上发表了一项创新研究，提出了一种受双足行走生物启发的磁声双驱微行走机器人，成功实现了对细胞的高效操控。

关键技术方法

研究采用两光子激光直写（two-photon direct laser writing）技术制备尺寸为60×40×30μm的双足微机器人，通过物理气相沉积法在60°倾斜角下沉积100nm镍层赋予磁响应性。利用3D亥姆霍兹线圈系统产生振荡磁场实现步态控制，同时通过压电换能器产生90-96kHz声场激发空腔气泡共振。使用CHO细胞（Chinese Hamster Ovary cells）进行细胞操控实验，并通过台盼蓝排除法评估生物相容性。

研究结果

设计与制备

微行走器采用立方体结构，具有两个20μm长的刚性支撑腿，通过在对角线位置设置喷嘴开口引入不对称性以增强稳定性。

关键特征在于内部设计有直径22.4μm、长度27.6μm的圆柱形空腔，用于捕获气体气泡从而实现声驱动。制备过程中发现，垂直取向的镍沉积比水平取向具有更好的磁响应特性，这可能是由于薄镍层的弱磁化强度和结构各向异性所致。

行走运动动力学

微行走器的步态分析显示其运动可分为四个阶段：站立、倾斜、左支撑腿抬起和右支撑腿抬起。

当施加振荡磁场时，微行走器能够以直线步态前进，其速度与频率成正比关系（v=2c_ffDsin(φ/2)）。实验确定最佳倾斜角γ为20°，在此条件下，微行走器表现出最稳定的运动性能。值得注意的是，在10Hz倍数频率附近出现速度低谷，研究者认为这与镍层磁化体积导致的步态失同步现象有关。

磁驱动机制

磁驱动原理基于磁矩与外部磁场的相互作用，通过精确控制电磁线圈产生特定的三维磁场分布。为实现仿生行走运动，研究人员开发了广义磁场方程，通过旋转矩阵实现任意方向的精确定向。特别的是，通过使α角随频率正弦变化（α→α+(π/2)sin(ωt)），微行走器的运动效率得到显著提升。

声驱动机制

当微机器人置于流体环境中时，空腔内捕获的气泡在共振频率（90-96kHz）下发生剧烈振荡，产生声流效应（acoustic streaming）推动微机器人运动。

作用力主要包括声辐射力（acoustic radiation forces）和流动力，其中后者占主导地位。通过示踪粒子可视化技术观察到典型的双环流场模式，COMSOL仿真结果与实验观察高度一致。声驱动速度与施加电压呈正相关，最大速度可达650μm/s。

细胞操控演示

在CHO细胞操控实验中，微行走器成功实现了对单个及多个细胞的精确运输和靶向释放。

与滚动型微机器人相比，行走式设计能够更好地维持 behind 物体的位置，避免从物体上方滚过的问题。特别是在细胞单层表面的运动实验中，微行走器展现出良好的环境适应性。

生物相容性评估

细胞毒性实验显示，在24小时培养后，微行走器与磁场共同作用组的细胞存活率为91.8%，单独微行走器组为89%，单独磁场组为93.1%，对照组为94.8%。

统计学分析表明，微行走器和外部磁场均未对细胞活力产生显著影响，证明了该技术的生物相容性。

结论与展望

这项研究成功开发了一种具有磁声双模驱动能力的仿生双足微行走机器人，突破了单一驱动方式的局限性。磁驱动提供了精确的步态控制和细胞操控能力，而声驱动则实现了高速运动，两者结合为微米尺度操作提供了前所未有的灵活性和适应性。特别值得关注的是，该微行走器在复杂生物环境中的良好表现，包括在细胞单层表面的稳定运动和出色的生物相容性，为其在靶向药物输送、微创手术和组织工程等生物医学应用奠定了坚实基础。

未来研究方向可能包括进一步缩小机器人尺寸以增强组织穿透能力，开发更智能的控制策略实现自主导航，以及探索在活体环境中的应用潜力。这种多模式驱动策略为微纳机器人领域提供了新的设计思路，有望推动微米尺度操控技术向更高水平发展。