第一作者：刘天亿

通讯作者：孔彪，刘健，贺强

通讯单位：复旦大学，萨里大学，中科院大连化学物理研究所，哈尔滨工业大学

图1. 微纳马达推进机制，控制策略，及生物相关应用

一．微纳马达的研究背景

感知环境并自主运动是生物体的一种标志性行为。自然界中的动物在宏观上表现出的运动行为在分子水平上是通过各种马达蛋白（motor protein）的协作来实现。这些马达蛋白可以将生物分子中的能量转化为自身的动能，来驱动肌肉的收缩或细胞器的运输。有鉴于此，化学家及物理学家希望仿照这种马达蛋白来制备可响应外界刺激并自主运动的智能微型机器，并将这类机器用于微型货物的运输或细胞级别的手术。这种微型机器的尺寸一般在数十纳米至数十微米之间，因此被我们称为“微纳马达”。

图2. 微纳马达研究进展里程碑

二．微纳马达的推进机制

尽管宏观上物体的运动司空见惯，但想要驱动一个微纳米尺度的物体并非一件易事。微纳马达在水中的雷诺数极低，在这种情况下运动完全由粘性力主导，类似于人在一个充满黏稠糖浆的水池里游泳。由于低雷诺数流体的时间反演不变性，很多宏观可行的推进方式都会失效，比如蛙泳运动或者摆鳍运动。因此在过去的20年时间里，科学家们开发出一些新颖的推进机制来驱动微纳马达。这些机制可分为三大类，第一类是气泡推进（bubble propulsion）：通过催化反应在微纳马达的尾部产生气泡，再由气泡的反推力来驱动马达前进，类似于火箭发射。第二类是自泳推进（self-phoresis）：通过化学或物理反应在马达的周围构筑一个不对称的场来引发周围流体的流动，利用流体的流动来推动马达。其中，根据场的不同，自泳又可细分为自电泳，自扩散泳，自热泳，自声泳。第三类是直接利用微生物来驱动微纳马达，被称为生物驱动（biological agent propulsion）。在这些驱动机制中，一个共同的思想是催化物理化学反应在马达上不对称地发生，以产生不均匀的受力来引发运动。

三．智能微纳马达的运动控制策略

在实际应用中，我们期望微纳马达能感知外界指令并运动到目标位置来执行任务，因此需要适当的操纵策略来控制微纳马达使其变得智能，相当于给它装上方向盘和刹车。微纳马达的控制可分为两方面，一方面是对其速度的控制，另一方面是对其方向的控制。对速度的调控主要是通过改变外部能量的输入或者燃料的浓度来实现。对方向的调控是基于物理边界，化学浓度梯度场，或者磁场，电场，光照，温度场，超声波等外部场来实现。此外，目前一个研究的热点是开发可以自主感知环境的智能微纳马达。这类马达可以主动接收环境的刺激并相应地改变运动行为，减少了对于人工操纵介入的依赖，这对于在复杂环境中的应用具有非常大潜力。

图3. 微纳马达的运动控制策略

四．智能微纳马达的潜在生物应用

由于微纳马达具有较小的体积和可控的运动，其在生物医学应用中表现出令人鼓舞的前景。目前，智能微纳马达已被应用于疾病的诊断和治疗，包括药物递送，癌症治疗，免疫治疗，疫苗接种和生物传感。其自主运动能力可以促进基于微纳马达的生物传感器和目标分析物之间的相互作用，提高检测诊断的效率和灵敏度。同时，智能微纳马达诊疗剂能够感知信号分子并主动寻找目标疾病部位，从而优化治疗效果和靶向性。此外，智能微纳马达也被用于模拟集群动物的社会性行为，这为理解生物系统之间信息交流背后的物理机制提供了帮助。

五．微纳马达研究的展望

尽管微纳马达的研究已经取得了可观的进展，但目前仍然具有一些挑战，这包括：（1）延长微纳马达的寿命；（2）提高微纳马达的可应用性；（3）提高微纳马达的稳定性；（4）微纳马达的大规模制备；（5）开发生物相容和生物可降解的微纳马达；（6）提高微纳马达的驱动效率。这些问题不仅是当下研究的局限，也意味着未来研究的机会和无限可能，这是该领域最吸引人的地方。

图4. 当前微纳马达研究的挑战

参考文献：

Tianyi Liu, et al. Controlled propulsion of micro/nanomotors: operational mechanisms, motion manipulation and potential biomedical applications. Chemical Society Reviews, 2022.

DOI: 10.1039/D2CS00432A

https://doi.org/10.1039/D2CS00432A

通讯作者简介：

孔彪，国家重点研发计划首席科学家、国家&上海市高层次人才、复旦大学研究员/博士生导师、复旦大学山东研究院常务副院长。主要开展超组装SAFs智能材料与器件制备集成，面向超组装软界面仿生材料设计及组装、软界面智能传感与探测芯片集成、新型微型化可植入感知器件构建、新型微型化可植入新能源器件构建的研究和应用开发，致力于为传感检测、软界面电子光电子器件、仿生软界面储能器件等领域提供高效可持续的软界面智能材料及器件。目前已发表包括Nature Chem., Science Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.在内的SCI论文120余篇，总被引11000余次，H指数49。获侯德榜化工科技青年奖、中国化工学会科学技术奖、上海市优秀发明选拔赛金奖、科技部重点专项优秀青年奖、联合国工发组织科学技术进步奖、上海市自然科学一等奖、孔子教育基金会优秀科学家奖、中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）一等奖、上海市青少年发展创新市长奖、中国教育部“博士研究生学术新人奖”、“陶氏化学可持续发展创新奖”一等奖、澳大利亚Monash大学优秀博士论文校长奖、宝钢教育基金会特等奖等。任国际Frontiers系列刊物副主编，《中国化学快报》Chinese Chemical Letters（CCL）以及Mater Today Sustainability编委。

课题组主页：https://saflab.fudan.edu.cn/

刘健，内蒙古大学化学化工学院教授，特聘院长，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，任中科院大连化物所-英国萨里大学未来材料联合研究中心执行主任。入列全球前2%顶尖科学家“终身科学成就榜”榜单。长期致力于纳米多孔微球材料的设计合成，纳米反应器构筑及在能源、催化相关领域的基础应用研究。迄今以第一作者及通讯作者在Angew. Chem., Adv. Mater., Mater. Today, Matter, Nature Commun., Nature Mater., NSR等著名期刊发表论文170余篇，总被引 22000余次，H 因子 68，连续五年入选2018-2022年科睿唯安高引作者。曾获第 14 届国际催化大会青年科学家奖（2008）、国际先进材料学会奖章（2021）等奖项；2017年入选国家青年海外高层次人才引进计划，还获得了中国化工学会基础研究奖二等奖（2021，排名第一）；主持或参与包括中组部、国家重点研发计划项目、国家基金委重大仪器研制项目、国家基金委面上项目、中科院、辽宁省委组织部、澳大利亚基金会面上项目、澳大利亚基金会博士后基金等多项科研项目。目前受邀担任“Materials Today Sustainability”主编、《催化学报》编委会青年编委、《国家科学评论》（NSR）材料学科编辑成员。

课题组主页：http://mnres.dicp.ac.cn/index.htm

贺强，哈尔滨工业大学教授。从事超分子胶体马达与医用游动纳米机器人研究，提出集自驱动运动与智能载体等多功能于一体的超分子胶体马达“自下而上”可控构筑新方法，发展了能适应不同生物医学应用需求的游动纳米机器人及其驱动和运动调控方式。在Science Robotics，JACS，Angew. Chem.，Adv. Mater.等发表论文170余篇，获黑龙江省科学技术二等奖。担任Journal of Colloid and Interface Science Open 副主编以及Colloids and Surfaces A 编委。

课题组主页：http://homepage.hit.edu.cn/heqiang