东南大学王乾乾&香港中文大学张立等综述：基于微纳机器人的无线智能传感平台

研究背景

微纳机器人凭借其独特的运动性能和多样化的功能在传感与检测领域大放异彩。微纳机器人被作为新型的传感工具提高传感性能并使传感系统小型化，为传统的传感方法带来巨大的变革。近年来，基于微纳机器人的传感研究取得了重大进展，微纳机器人在多种多样的新型传感方法中发挥着重要的作用。本文综述了将微纳机器人与传感结合的研究和应用，探讨了如何构建适用于复杂环境的基于微纳机器人的智能传感平台，并对这一热点领域未来发展所面临的机遇与挑战进行了展望。

Untethered Micro/Nanorobots for Remote Sensing: Toward Intelligent Platform

Qianqian Wang*, Shihao Yang, and Li Zhang*

Nano-Micro Letters (2024)16: 40

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01261-9

本文亮点

1. 对基于微纳机器人的传感系统的最新发展进行系统综述，着重强调协调微纳机器人功能与传感系统的新方法。

2. 本文基于该领域的先进工作综述了微纳机器人的推进/运动控制、功能化、传感机制和应用。

3. 本文以构建智能传感系统为出发点，探讨了基于微纳机器人的传感平台的设计、开发、应用。

内容简介

在食品安全和健康监测等领域，对目标物的快速准确检测至关重要。微纳机器人一般指尺寸从几微米/纳米到毫米级的无线微型设备，是能够以受控方式执行多样化任务的先进工具。微纳机器人具有微小的尺寸以及在各种介质中的自主运动能力，特别适合作为复杂介质中的移动传感器。近年来，微纳技术的快速发展推动了微纳机器人在传感任务中的应用，促进了传感系统的小型化，极大程度地提高了传感的分辨率、精度、以及效率。本文根据微纳机器人在传感中起到的不同作用对传感方法进行分类介绍，包括基于微纳机器人自生成信号的传感、基于微纳机器人行为的传感、微纳机器人捕获和传输目标用于传感、以及微纳机器人辅助传感。此外，本文还讨论了如何设计并开发先进的智能传感平台，最大程度地发挥微纳机器人的优势以应对复杂的传感任务。希望本文介绍的内容能促进新型传感技术的发展以及传感系统的改进，推动基于微纳机器人的传感方法的实际应用转化。

图文导读

I 基于微纳机器人自身信号的传感

基于自生成信号的传感依赖于微纳机器人自身产生的信号，例如毒素的荧光信号、基于化学反应产生的信号、生物传感中的电化学发光等。这种类型的传感或检测方法通常需要对微纳机器人进行功能化，特别是修饰其表面，这在决定微纳机器人的物理化学性质方面起着关键作用。微纳机器人的表面可以被修饰上反应位点，显着影响微纳机器人与环境中各种分析物分子之间的相互作用，进而产生可以被检测到的信号(图2)。

图2. 基于微纳机器人自身信号的传感。(a)用于大肠杆菌检测的WS₂/Pt和MoS₂/Pt微型机器人;(b) 基于磁性荧光孢子的微型机器人，用于远程检测艰难梭菌毒素; (c)用于食品样品中霉菌毒素定量分析的石墨烯微型机器人;(d)用于荧光HCl和NH₃气体传感的酶驱动微型机器人;(e)超声驱动的纳米机器人用于单细胞实时miRNA传感;(f)配备pH响应DNA纳米开关的自感应酶驱动微型机器人。

II  基于微纳机器人行为的传感

微纳机器人的行为在受到外部影响(例如外加场和周围环境的变化)时会发生变化，这些变化可以通过光学显微镜等简单方法直接观察到。因此，由需要被检测的物质引起的微纳机器人行为的变化可以作为传感中所需的视觉信号。基于微纳机器人行为的传感通常通过建立分析物与微纳机器人行为特征之间的定量关系来实现，并通过观察微纳机器人的行为(例如运动和变形等)来获得所需的信息，以完成传感任务(图3)。

图3. 基于微纳机器人行为的传感。(a)基于Ag纳米粒子诱导的纳米机器人加速实现DNA和RNA传感;(b)催化剂修饰的PEDOT-Au微管通过特异性DNA杂交作为DNA传感器;(c) 基于抑制过氧化氢酶生物催化的酶驱动微管实现水质检测;(d)基于运动的化学驱动水母状微型机器人用于DNA传感;(e)可变形铁磁流体液滴被用于组织和器官的局部力学性能测量;(f)微纳机器人集群的形态变换被用于检测局部流体粘度和离子强度。

III  微纳机器人对目标的选择性捕获和传输以用于传感

从原始样品中分离目标分析物是许多常见传感方法中必要的前置步骤，通常需要耗时且复杂的程序。微纳机器人可以作为有效分离目标分析物的替代工具，从而提高传感中样品预处理的效率(图4)。基于微纳机器人的分离过程通常包括两个步骤:捕获和运输。微纳米机器利用特定反应来识别和捕获目标分析物，然后通过主动运动将其输送到所需位置。这使得目标分析物可以从复杂的原始样品中分离出来，从而实现精确和定量的传感。在随后的传感过程中，可以应用外部刺激来触发捕获的分析物的释放。凭借其小尺寸和可控的主动运动，微纳机器人表现出从复杂的样品中分离目标的卓越能力，尤其是在处理小体积和低浓度样品时。

图4. 微纳机器人选择性地捕获和运输目标以进行传感。(a)一种基于生物分子马达的“智能粉尘”微型装置，用于捕获和运输目标分析物;(b)用于从原始生物样品中分离核酸的气泡推进催化Ti/Ni/Au/Pt微管;(c)Ti/Fe/Au/Pt微管通过特异性抗原识别选择性捕获癌细胞;(d)磁性微型机器人捕获SARS-CoV-2病毒和Ag-AuNR标签，并基于Ag-AuNR标签的析氢反应实现传感;(e)超声驱动的磁导航金-镍-金纳米线用于选择性捕获和运输细菌;(f)用于捕获和检测纳米塑料的光驱动微型机器人。

IV 微纳机器人辅助的传感

微纳机器人可以在电化学传感、比色传感和表面增强拉曼散射(SERS)传感等许多传感方法中发挥辅助作用，以增强传感的效率(图5)。微纳机器人通过对环境施加影响来辅助传感的方法可以被归类为微纳机器人辅助的传感，包括微纳机器人通过主动运动以及加强流体扰动来增强传质、微纳机器人触发传感所需的化学反应、以及微纳机器人加速传感反应的速率。

图5. 微纳机器人辅助传感。(a)聚多巴胺交联的磁性Fe₃O₄纳米颗粒链通过旋转增强基于微阵列的传感系统中的流体混合;(b)Mg/Pt Janus微型机器人通过增强传质来加速葡萄糖的氧化，以用于电化学传感;(c)用于快速皮质醇传感的PEDOT/Ni/Pt微管;(d)用于SARS-CoV-2 RNA传感的等离子体磁性Fe₃O₄/Au/Ag纳米机器人;(e)Au/SiO/Ti/Ag 微管通过分子富集增强 SERS 传感;(f)Au/SiO/Fe微型机器人作为移动热点增强SERS信号。

V 总结与展望

微纳机器人在传感领域的优势主要体现在几个方面:首先，微纳机器人的主动运动增加了混合效应以及与目标的接触机会，提高了传质能力，加快了传感反应速率。此外，它们的体积小，能够检测超小体积的微观样品。其次，微纳机器人可以由各种方式驱动，表现出多种类型的运动和变形能力。它们可以适应不同的环境，这些行为可以作为实时传感中的指标。其中，微纳机器人集群的高环境适应能力使其能够在复杂环境中主动导航，并检测出局部环境的性质 (如pH值、温度、浓度等)。第三，微纳机器人的结构、功能和运动行为可以被精心设计，以满足不同传感任务的特定要求。微纳机器人可以作为远程传感器被应用于各种尺度的场景，包括DNA、蛋白质到细胞和细菌。其传感对象可以从无机金属离子、化学污染物和有机物质到环境的物理和化学性质(例如，液体粘度、离子强度和流速)等。第四，微纳机器人可实现原位检测。无需复杂的制备和操作即可直接检测原始样品，简化了检测过程并降低了相关成本。最后，微纳机器人集群中，每个个体都能够直接或间接地产生检测信号，从而降低检测结果的随机性，提高检测的效率和准确性。

在保持基本的传感原理不变的情况下，微纳机器人的引入提高了传感效率和灵敏度，有希望为各种传统传感技术带来变革。尽管基于微纳机器人的传感研究取得了重大进展，但大部分研究工作集中在微纳机器人的设计以及传感机理的探索上，并且仅停留在概念验证阶段。构建基于微纳机器人的传感平台，实现广泛的实际应用，是该领域发展的重要一步(图6)。一些研究报道了微纳机器人被集成到微芯片系统中，大大简化并加快检测过程，能够高效、方便地传感各种分析物，例如蛋白质和细菌等。微纳机器人系统与微流控电化学检测技术相结合，可实现自动化、准确和快速的检测，而不会损失性能和灵敏度，还实现了临床传感设备的小型化和集成化。除了微芯片外，微纳机器人还被集成到手机系统中，以构建快速、便携和低成本的疾病诊断工具。集成了微纳机器人的传感平台代表了基于微纳机器人的传感的未来发展方向，旨在实现实用化和商业化。因此，充分利用微纳机器人的优势以开放先进的传感平台是推动传感领域发展的关键之一。

图6. 基于微纳机器人的传感平台。(a) 将基于磁性rGO微型机器人集成到电化学微流控芯片中以用于CRP传感;(b)将Pt微型机器人集成到手机系统中以用于HIV-1传感;(c)用于全自动检测的多功能铁磁流体机器人系统;(d)基于铁磁流体集群的自动病毒传感平台。

目前，大多数基于微纳机器人的传感和检测都是在体外进行的。然而，在生物体内控制和定位微纳机器人存在巨大挑战，其中信号检测和机器人行为观察的精度受到复杂操作环境的影响。此外，微纳机器人的可控递送和回收策略也需要进一步研究。对于在生物体内的复杂环境中的传感来说，可以通过微纳机器人的行为和生成的信号实时获取体内信息，这充分利用了微纳机器人体积小和运动可控的优点。这种方法使我们能够在不需要复杂程序的情况下收集目标位置的信息，有利于早期疾病诊断。然而，由于生物相容性等问题，化学燃料驱动的微纳机器人用于体内应用方面存在着挑战。这些挑战可以通过开发替代的驱动方法(例如超声或磁力驱动)以及采用生物相容性材料(例如天然生物材料)来解决。此外，高成像对比度对于微纳机器人的实时体内追踪至关重要，这需要整合多种医学成像方法来可视化追踪微纳机器人并获得传感信号。完成传感任务后，传感系统设计中应包括回收、代谢或降解机器人的策略。目前，大多数微纳机器人都是为单个目标的传感设计的，开发多功能传感平台将有利于方便快捷地检测多个目标。为了克服这些挑战，未来的工作将集中在构建智能传感平台上，这需要微纳机器人技术的突破以及跨学科的协作(图7)。

图7. 设计基于微纳机器人的智能传感平台的关键因素。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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