自然界中，細菌、精子和一些微生物使用它們納米級的彈性菌絲進行傳感、驅(qū)動和捕食。它們的力感知靈敏度可以達到納牛乃至皮牛級別。這些微生物和細胞的生物力學特性令人著迷，長久以來人們夢想著制造出如此精巧的仿生彈性器件，以便能夠?qū)ξ⑸镞M行精確的細胞力學表征和更進一步地隨心所欲操縱。 

　　1月4日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院的徐海峰團隊通過開發(fā)超彈磁性光刻膠，構(gòu)建了包含彈性編程在內(nèi)的彈性體4D納米光刻技術(shù)，制備了迄今最靈敏的人造彈簧系統(tǒng)——皮牛彈簧（picospring）。該系統(tǒng)具有納米級的特征尺寸和500飛牛級別（500 fN）的超低力靈敏度，相當于單個細胞重力的一千分之一，并且應變精度超過1 m/pN。皮牛彈簧支持高度自由的3D光刻加工，可以被定制化加工成任意形狀，同時完美兼容磁性光刻材料，因此可用于制備各類軟體微米機器人和柔性微米器件，如用于測量精子驅(qū)動力的微米測力計、用于細胞操縱的微米鑷子以及進行自驅(qū)動的微米企鵝和微米海龜?shù)葯C器。 該文章發(fā)表在微納器件領(lǐng)域頂級雜志Nature Nanotechnology，徐海峰為論文的獨立一作及共同通訊作者。中國科學院深圳先進技術(shù)研究院為論文第一單位，合作單位為德國萊布尼茨固態(tài)與材料研究所與開姆尼茨工業(yè)大學。深圳先進院王磊研究員亦為該文章作者之一。 

　　彈簧是人類認識的最早的能量轉(zhuǎn)換器件。小至鐘表、扭秤，大至汽車懸掛、原子力顯微鏡，無一不是使用彈簧機構(gòu)作為其關(guān)鍵部件而來。可以說彈簧豐富了人造機械的多樣性。在微觀世界中，細胞和微生物也使用彈性機構(gòu)來執(zhí)行力感知、捕食、驅(qū)動等動作。把彈簧的應用推廣到微觀世界，而發(fā)明出具備彈簧機構(gòu)的微納器件是人類長久以來的一大構(gòu)想。雖然彈簧的應用歷史悠久，但能應用于細胞力學的大應變微米彈性器件卻面臨挑戰(zhàn)。其關(guān)鍵困難在于細胞相容性彈性材料的高精度3D加工。此前，徐海峰團隊分別開發(fā)了彈簧觸發(fā)的抗癌精子機器人以及抗血栓的精子火車機器人。研究發(fā)表在ACS Nano和Angewandte Chemie等頂級期刊，被Science、MIT Technology Review、美國國家廣播電視等多家期刊和媒體報道（鏈接見文末）。但前期的微米機器人的力感知精度較差，且無法達成細胞的自由操縱。 

　　在此背景下，徐海峰團隊開發(fā)出世界首個納米加工精度的彈性體光刻膠，構(gòu)建了包含彈性模量在內(nèi)的彈性體4D光刻策略，用以定制化加工軟體微米機器人，并展示了不同機器人的多種應用。（1）微米測力計可對皮牛級細胞力產(chǎn)生微米級的響應，可以用來測量包括精子在內(nèi)的物理、化學和生物復合等各類微米機器人的泳動力。（2）微米夾持器可以被磁場獨立控制，實現(xiàn)包括夾持在內(nèi)的8個自由度運動。通過編程磁場模式，可以實現(xiàn)微米機器人翻滾、旋轉(zhuǎn)、夾持、釋放等多模態(tài)運動的解耦控制，針對特定目標物，如活體細胞進行夾持和轉(zhuǎn)運。該過程不涉及任何如光、熱、離子或pH等細胞敏感的環(huán)境變化，真正實現(xiàn)了細胞的無影響操縱。（3）仿生軟體微米機器人具有集成的彈簧組。通過彈簧對磁場能量的儲存和編程釋放，實現(xiàn)了僅有磁場控制的20微米尺寸的微企鵝和微海龜?shù)能涹w驅(qū)動。 

　　該研究開創(chuàng)了軟體機器人在細胞力學及細胞操縱等領(lǐng)域的應用范疇，為構(gòu)建新型的細胞力學研究平臺和細胞操縱分選平臺提供了技術(shù)基礎(chǔ)。它為細胞水平的非侵入性操縱開辟了途徑，為顯微外科手術(shù)和靶向藥物輸送領(lǐng)域提供了新方法。 未來，新型微創(chuàng)甚至無創(chuàng)軟體微米機器人儀器將為細胞力學研究、體內(nèi)受精以及小腔道內(nèi)血栓清除和神經(jīng)干預等醫(yī)療任務提供有效助力。 

　　4D納米彈性體光刻策略制備各類軟體微米機器人的示意圖 

　　皮牛級軟體微米機器人的加工與應用。（a）彈性編程的4D納米光刻技術(shù)用于微米機器人的加工。（b）皮牛級微米測力計用于細胞力學研究。（c）皮牛級微米鑷子用于多種不同形狀細胞的無干擾操縱。（d）皮牛級磁驅(qū)微米企鵝和微米海龜。   

　　徐海峰開發(fā)的兩種精子機器人：抗癌四足精子機器人（左）和抗血栓精子火車機器人（右）。   

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01567-0 

相關(guān)鏈接： 

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b06398 

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b07851 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202005657