《Smart Materials in Medicine》：Self-Driven Medical Robots: From Actuation Mechanisms to Biomedical Applications
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机器人技术正经历快速发展，对众多领域产生变革性影响。然而，当前大多数机器人系统依赖外部能源驱动，这显著限制了其自主性与作业范围。相比之下，自驱动机器人（Self-Driven Robots）能够从局部环境中收集能量，正成为一种变革性的范式。尽管该领域尚处于起步
机器人技术正经历快速发展，对众多领域产生变革性影响。然而，当前大多数机器人系统依赖外部能源驱动，这显著限制了其自主性与作业范围。相比之下，自驱动机器人（Self-Driven Robots）能够从局部环境中收集能量，正成为一种变革性的范式。尽管该领域尚处于起步阶段，但自驱动机器人在医疗领域已展现出显著进展与巨大潜力。本综述阐述了自驱动机器人的发展历程、工作原理、功能特性及关键医学应用。通过与传统的非自驱动系统进行对比，研究人员强调了其独特优势及推动多学科突破的能力。最后，研究人员批判性地评估了自驱动机器人临床转化面临的挑战与机遇，并对未来的研究方向进行了前瞻性展望。
自驱动医用机器人代表了医疗技术的变革前沿，其核心特征是从环境中收集能量以实现自主推进。本综述系统构建了“驱动机制-临床应用”的系统框架，涵盖了微纳尺度至宏观软体机器人的七种核心驱动机制。
1. 引言
医疗机器人可分为非自驱动与自驱动两大类。传统医疗机器人受限于外部电源（如电池或插座），导致机动性差、作业时间短且在偏远或资源有限的环境中部署困难。自驱动医用机器人（Self-Driven Medical Robots）则是能够利用化学、磁、热或机械能实现推进的微纳或宏观软体设备。相较于传统系统，其在能源效率、尺寸灵活性、独立性、低成本、结构简单性及操作灵活性方面具有显著优势，有望革新微创手术、靶向治疗及整体患者护理模式。
2. 自驱动医用机器人的发展概述
2.1 医疗机器人的需求（精准性、安全性、灵巧性与可持续性）
精准性确保药物递送至病灶以减少健康组织损伤；安全性要求材料或燃料无不良反应，生物相容性是所有体内应用的核心前提；灵巧性使机器人能在血管或细胞结构等复杂生物环境中导航；可持续性关注机器人的长期稳定性与生物降解性，以避免长期损害或复杂的移除程序。
2.2 医用自驱动机器人的发展史
该领域的发展融合了材料物理学原理与生物智能。2007年，Nelson等人开创了螺旋磁驱动系统，模仿细菌鞭毛运动，实现了粘性介质中的程序化运动控制。随后，光驱动AgCl微型机器人（2009年）及自热泳推进技术相继取得突破。微纳技术与合成生物学的进步催生了生物混合（Bio-hybrid）系统，例如利用大肠杆菌作为功能化载体，以及利用哺乳动物细胞构建的生物混合机器人。2015年，红细胞被转化为诊疗一体化平台，利用超声和磁场实现精确控制。血小板膜修饰的多孔纳米马达实现了血栓治疗药物的控释。此外，结合电磁场与细菌鞭毛驱动、精子驱动以及微藻驱动的自驱动机器人系统不断涌现，展示了在多模态协同、仿生功能化和靶向智能化方面的独特优势。
3. 自驱动机器人的驱动原理
3.1 磁驱动（Magnetic Driven）
磁驱动是目前研究最广泛的驱动机制，因其优异的远程可控性和组织穿透性而备受青睐。通过在机器人中嵌入磁性材料（如FePt合金），并施加旋转、振荡或梯度外部磁场，可产生精确的力与扭矩以控制运动。磁驱动机器人形态多样，包括模拟细菌鞭毛的螺旋结构、仿鱼形和仿水母形的仿生结构、具有不对称结构的Janus球形机器人以及磁控微型夹钳等。尽管创新不断，但仍面临磁场强度依赖、生物相容性优化及制造工艺复杂等挑战。
3.2 光诱导与热驱动
3.2.1 光推进（Optical Propulsion）
光驱动分为光催化反应驱动和光场驱动。光催化反应通过产生物质/电荷梯度或气泡实现推进，机制主要包括电泳机制和扩散效应。光场驱动则利用光场产生的力来操纵微小物体，如利用光电镊子（OET）技术产生的介电泳力。光驱动的缺点在于光在人体组织中的穿透深度有限，限制了其在深层组织的应用。
3.2.2 热控（Thermal Control）
热驱动主要依赖热催化分解反应（通常是过氧化氢分解）。温度升高一方面加速化学反应动力学，另一方面降低介质粘度，共同促进机器人运动。温度敏感材料（如PNIPAM聚合物刷）的应用可实现运动速度的可逆调控，但目前多仅能实现完全停止或恢复运动的两种状态，且长时间高于临界溶解温度可能导致不可逆聚集。
3.2.3 光热驱动（Photothermal Driven）
利用材料的光热效应将光能转化为热能，形成局部温度梯度产生驱动力。例如红细胞膜修饰的Janus聚合物微型马达，在近红外光（NIR）照射下通过自热泳效应运动，在血栓消融治疗中显示出潜力。
3.3 化学驱动（Chemical Driven）
化学驱动利用环境中的燃料（如过氧化氢、肼）经催化转化为机械推力。2004年发现金铂双金属纳米线可通过催化过氧化氢分解实现自主移动，机制包括气泡推进和自电泳效应。Janus粒子利用催化剂涂层产生气体或浓度梯度实现推进。管状微型马达利用内腔化学反应产生的气泡喷射推进，但在生物医学应用中面临燃料（如过氧化氢）毒性的问题。
3.4 生物混合驱动（Biological Hybrid Driven）
通过协同生物实体的自主行为与人工框架实现推进。微生物（如微藻、大肠杆菌、沙门氏菌）和细胞（如心肌细胞、中性粒细胞、红细胞）可作为动力源或载体。例如，基于衣藻的生物混合机器人保留了其趋光性，可负载药物并在光照下释放；中性粒细胞机器人可穿越血脑屏障靶向恶性胶质瘤；DNA纳米机器人可利用DNA折纸技术实现特定位点（如肿瘤血管内皮）的药物释放。此类机器人生物相容性优异，但生物材料的培养条件限制了其应用环境。
3.5 溶胀驱动（Swelling Driven）
基于亲水性聚合物网络的体积相变产生机械变形。水凝胶（Hydrogel）是典型代表，驱动机制包括液压驱动、渗透驱动和电渗驱动。双梯度结构水凝胶可在温度或光照刺激下实现快速弯曲变形。虽然溶胀驱动技术已取得显著进展，但仍面临单一驱动模式性能受限及在极端环境下稳定性不足的挑战。
3.6 摩擦电驱动（Triboelectric Driven）
利用接触起电和静电感应的耦合收集环境机械能。摩擦纳米发电机（TENG）通过两种不同电子亲和力的材料周期性接触分离产生电流。根据结构特点，TENG可分为垂直接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式。其优势在于高能量转换效率、宽材料兼容性及对低频机械能的高敏感性，适用于植入式医疗设备供电。
3.7 耦合驱动（Coupling Driven）
单一驱动模式难以满足复杂操作需求，耦合驱动集成正交驱动力（物理、化学、生物域）以克服传统单模执行器的障碍。例如，电场-磁场双控水凝胶微型机器人结合了电场的精密操作与磁场的三维导航；磁光控制系统可调控微型机器人的群体行为；精子微型马达结合了生物趋化性与磁场引导；CNT-bot微型机器人可根据酸碱环境切换驱动模式。耦合驱动技术正重塑自驱动机器人的设计法则，向更高效、智能和集成的方向发展。
4. 医学应用
4.1 药物递送
自驱动机器人克服了传统药物递送的被动扩散限制。磁驱动系统通过外部磁场调控实现器官到细胞层面的靶向递送；生物混合系统利用天然生物载体的进化优势（如趋化性、免疫逃逸）实现智能导航；化学驱动系统则利用生理微环境（如胃酸）触发反应，特别适用于管腔器官的局部给药。未来的优化策略包括开发可编程代谢的刺激响应材料、采用“集群机器人”策略以及构建“感知-决策-执行”闭环系统。
4.2 精准治疗
自驱动机器人实现了疾病的交叉尺度精准干预。在胆道碎石中，柔性无线碎石机器人解决了解剖扭曲问题；在胃部治疗中，双矿化自驱动微型机器人耐受酸性环境；在心脏起搏中，基于心脏运动能量收集的自驱动起搏器解决了电池依赖问题。此外，脲酶驱动的纳米马达用于膀胱癌细胞的分子靶向治疗，软连续体机器人系统用于直径<2 mm血管的再通。未来发展方向是赋予微型机器人自主决策能力，实现与环境的智能交互。
4.3 生物传感（Biosensing）
自驱动机器人作为传感器具有高灵敏度和快速响应的特点。例如，脲酶驱动的微型马达集成了pH响应DNA纳米开关，可实时监测微环境pH动态变化；磁催化杂化Janus微型马达用于内毒素（LPS）的快速特异性检测；基于自驱动纳米马达的免疫分析策略实现了免疫球蛋白G（IgG）的高灵敏检测；磁性纳米颗粒机器人可用于血液流变学测量；过氧化物酶驱动的微型马达可用于目标DNA的检测。
4.4 医学成像
自驱动机器人为医学成像带来新机遇。近红外光（NIR）驱动的Janus介孔硅纳米马达可增强肿瘤组织的磁共振成像（MRI）信号；镁镍基Janus微型马达产生的氢气泡可增强超声成像对比度；磁控可逆形变机器人可携带X射线造影剂实现实时成像与靶向给药。
5. 挑战与展望
5.1 技术挑战
材料选择是首要障碍，需同时满足机械强度、耐腐蚀性和长期生物相容性。智能与自主性也是重大挑战，现有算法难以应对人体复杂的动态环境，亟需加强人工智能（AI）与机器学习算法的融合，以实现真正的自主导航与环境感知。
5.2 临床与市场挑战
目前大多仍处于实验室研究阶段，缺乏大规模应用的临床验证。此外，还需面对患者生命安全、隐私保护、伦理规范及高昂研发成本等挑战。监管政策和标准的完善是推动其规范化发展的必要条件。
5.3 未来发展方向
未来将由材料科学、多模态驱动和人工智能的融合所驱动。开发具有自修复、自清洁等特性的高性能生物相容性材料至关重要。这些系统将实现多样化的治疗载荷靶向递送，最大化疗效并最小化全身毒性。
6. 结论
自驱动机器人是具有变革潜力的前沿技术。尽管在生物相容性材料开发、体内精准导航控制及AI赋能的自主决策等方面仍面临挑战，但随着多学科的协同创新及监管框架的完善，自驱动机器人有望成为医学领域不可或缺的工具，为人类健康做出深远贡献。
