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在纳米尺度下，现有策略难以对单个纳米机器人进行选择性控制。研究人员开展了 “外部控制间歇性随机化实现多个纳米机器人复杂导航” 的研究。结果表明，该方法可选择性驱动相同纳米机器人，有望推动纳米机器人在多领域应用。
纳米技术的发展为医疗健康等领域带来了无限可能，其中纳米机器人的出现更是备受瞩目。想象一下，在微观世界里，纳米机器人就像一个个微小的 “医生”，能够精准地抵达身体的各个部位，进行疾病治疗、组织修复等工作。然而，目前在纳米机器人的操控上却面临着巨大挑战。在宏观尺度下，控制单个机器人轻而易举，通过各种通信方案就能实现对个体的定位和驱动。但在纳米尺度（sub-μm），情况截然不同。当众多纳米机器人聚集在一起时，由于它们外形相似，现有的全局场无法将单个纳米机器人从群体中区分出来并进行选择性控制，这严重限制了纳米机器人的实际应用，比如在微观手术、细胞内 DNA 修复等场景中难以发挥其优势。为了解决这一难题，来自德国马克斯?普朗克医学研究所、印度科学学院等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为纳米机器人的操控带来了新的突破。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过磁控技术，利用旋转磁场驱动铁磁螺旋纳米结构，使纳米机器人能够在磁场作用下运动。其次，运用成像与分析技术，借助 CMOS 相机拍摄纳米机器人的运动状态，并通过图像分析确定其取向。此外，利用双稳态特性实现纳米机器人取向的快速随机化，这是实现选择性控制的关键步骤之一。
研究结果如下：
- 选择性驱动原理：研究发现，当两个纳米机器人初始取向不同时，在施加外部驱动后，取向更接近驱动方向的纳米机器人会先沿着预期轨迹移动，而另一个机器人则需要一定时间调整方向才开始移动。这一原理为实现纳米机器人的选择性驱动奠定了基础。
- 纳米机器人的转向时间与取向关系：通过实验和数值计算，研究人员详细研究了纳米机器人的转向时间（τ）与初始取向（α）的关系。结果表明，τ随α变化而变化，并且实验数据与理论计算结果相符，这为后续控制纳米机器人的运动提供了重要依据。
- 实现纳米机器人取向随机化：利用螺旋结构的双稳态，研究人员成功实现了纳米机器人取向的快速随机化。在实验中，通过施加旋转磁场，使纳米机器人在 “翻滚” 和 “推进” 两种状态间切换，当磁场关闭后，纳米机器人随机取向，多次实验验证了这种随机化的有效性和独立性。
- 控制算法的验证与优化：研究人员设计了基于随机化 - 估计 - 决策 - 驱动的控制算法，并通过实验验证了其对纳米机器人的选择性控制能力。在实验中，对驱动时间（Tdrive）进行优化，发现 “自适应” 的Tdrive能在速度和精度之间取得较好平衡，同时，将更多场景纳入算法，提高了推进条件的概率，进一步增强了控制效果。
- 复杂轨迹控制与多机器人控制：研究人员不仅实现了对单个纳米机器人复杂轨迹的控制，还将算法推广到多个纳米机器人的控制场景。无论是并行控制还是顺序控制，都能精准地操控纳米机器人按照预设轨迹运动，这在以往的研究中尚未实现。
研究结论和讨论部分指出，该研究提出的方法能够利用全局控制场实现纳米机器人的独立操纵和定位，与以往依赖纳米机器人个体差异的技术不同，该策略可用于完全相同的机器人。实验系统具有多功能性，可集成传感、货物操纵等功能，在纳米组件的精确组装、微流体环境中的传感和驱动等领域具有广泛应用前景。然而，该技术也存在一定局限性，例如目前依赖直接成像限制了纳米机器人的最小长度，实验中未考虑纳米机器人之间的流体和磁相互作用等。未来，研究人员可探索新的成像技术，进一步研究纳米机器人间的相互作用对控制策略的影响，以及将该技术拓展到其他类型的纳米机器人和宏观机器人领域。总之，这项研究为纳米机器人的操控开辟了新的道路，具有重要的理论和实践意义，有望推动纳米技术在生命科学和健康医学等领域的进一步发展。
