第一作者：劉天億
通訊作者：孔彪，劉健，賀強(qiáng)
通訊單位：復(fù)旦大學(xué)，薩里大學(xué)，中科院大連化學(xué)物理研究所，哈爾濱工業(yè)大學(xué)
圖1. 微納馬達(dá)推進(jìn)機(jī)制，控制策略，及生物相關(guān)應(yīng)用
一．微納馬達(dá)的研究背景
感知環(huán)境并自主運(yùn)動(dòng)是生物體的一種標(biāo)志性行為。自然界中的動(dòng)物在宏觀上表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)行為在分子水平上是通過各種馬達(dá)蛋白（motor protein）的協(xié)作來實(shí)現(xiàn)。這些馬達(dá)蛋白可以將生物分子中的能量轉(zhuǎn)化為自身的動(dòng)能，來驅(qū)動(dòng)肌肉的收縮或細(xì)胞器的運(yùn)輸。有鑒于此，化學(xué)家及物理學(xué)家希望仿照這種馬達(dá)蛋白來制備可響應(yīng)外界刺激并自主運(yùn)動(dòng)的智能微型機(jī)器，并將這類機(jī)器用于微型貨物的運(yùn)輸或細(xì)胞級(jí)別的手術(shù)。這種微型機(jī)器的尺寸一般在數(shù)十納米至數(shù)十微米之間，因此被我們稱為“微納馬達(dá)”。
圖2. 微納馬達(dá)研究進(jìn)展里程碑
二．微納馬達(dá)的推進(jìn)機(jī)制
盡管宏觀上物體的運(yùn)動(dòng)司空見慣，但想要驅(qū)動(dòng)一個(gè)微納米尺度的物體并非一件易事。微納馬達(dá)在水中的雷諾數(shù)極低，在這種情況下運(yùn)動(dòng)完全由粘性力主導(dǎo)，類似于人在一個(gè)充滿黏稠糖漿的水池里游泳。由于低雷諾數(shù)流體的時(shí)間反演不變性，很多宏觀可行的推進(jìn)方式都會(huì)失效，比如蛙泳運(yùn)動(dòng)或者擺鰭運(yùn)動(dòng)。因此在過去的20年時(shí)間里，科學(xué)家們開發(fā)出一些新穎的推進(jìn)機(jī)制來驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)。這些機(jī)制可分為三大類，第一類是氣泡推進(jìn)（bubble propulsion）：通過催化反應(yīng)在微納馬達(dá)的尾部產(chǎn)生氣泡，再由氣泡的反推力來驅(qū)動(dòng)馬達(dá)前進(jìn)，類似于火箭發(fā)射。第二類是自泳推進(jìn)（self-phoresis）：通過化學(xué)或物理反應(yīng)在馬達(dá)的周圍構(gòu)筑一個(gè)不對(duì)稱的場(chǎng)來引發(fā)周圍流體的流動(dòng)，利用流體的流動(dòng)來推動(dòng)馬達(dá)。其中，根據(jù)場(chǎng)的不同，自泳又可細(xì)分為自電泳，自擴(kuò)散泳，自熱泳，自聲泳。第三類是直接利用微生物來驅(qū)動(dòng)微納馬達(dá)，被稱為生物驅(qū)動(dòng)（biological agent propulsion）。在這些驅(qū)動(dòng)機(jī)制中，一個(gè)共同的思想是催化物理化學(xué)反應(yīng)在馬達(dá)上不對(duì)稱地發(fā)生，以產(chǎn)生不均勻的受力來引發(fā)運(yùn)動(dòng)。
三．智能微納馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)控制策略
在實(shí)際應(yīng)用中，我們期望微納馬達(dá)能感知外界指令并運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置來執(zhí)行任務(wù)，因此需要適當(dāng)?shù)牟倏v策略來控制微納馬達(dá)使其變得智能，相當(dāng)于給它裝上方向盤和剎車。微納馬達(dá)的控制可分為兩方面，一方面是對(duì)其速度的控制，另一方面是對(duì)其方向的控制。對(duì)速度的調(diào)控主要是通過改變外部能量的輸入或者燃料的濃度來實(shí)現(xiàn)。對(duì)方向的調(diào)控是基于物理邊界，化學(xué)濃度梯度場(chǎng)，或者磁場(chǎng)，電場(chǎng)，光照，溫度場(chǎng)，超聲波等外部場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)。此外，目前一個(gè)研究的熱點(diǎn)是開發(fā)可以自主感知環(huán)境的智能微納馬達(dá)。這類馬達(dá)可以主動(dòng)接收環(huán)境的刺激并相應(yīng)地改變運(yùn)動(dòng)行為，減少了對(duì)于人工操縱介入的依賴，這對(duì)于在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用具有非常大潛力。
圖3. 微納馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)控制策略
四．智能微納馬達(dá)的潛在生物應(yīng)用
由于微納馬達(dá)具有較小的體積和可控的運(yùn)動(dòng)，其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)出令人鼓舞的前景。目前，智能微納馬達(dá)已被應(yīng)用于疾病的診斷和治療，包括藥物遞送，癌癥治療，免疫治療，疫苗接種和生物傳感。其自主運(yùn)動(dòng)能力可以促進(jìn)基于微納馬達(dá)的生物傳感器和目標(biāo)分析物之間的相互作用，提高檢測(cè)診斷的效率和靈敏度。同時(shí)，智能微納馬達(dá)診療劑能夠感知信號(hào)分子并主動(dòng)尋找目標(biāo)疾病部位，從而優(yōu)化治療效果和靶向性。此外，智能微納馬達(dá)也被用于模擬集群動(dòng)物的社會(huì)性行為，這為理解生物系統(tǒng)之間信息交流背后的物理機(jī)制提供了幫助。
五．微納馬達(dá)研究的展望
盡管微納馬達(dá)的研究已經(jīng)取得了可觀的進(jìn)展，但目前仍然具有一些挑戰(zhàn)，這包括：（1）延長(zhǎng)微納馬達(dá)的壽命；（2）提高微納馬達(dá)的可應(yīng)用性；（3）提高微納馬達(dá)的穩(wěn)定性；（4）微納馬達(dá)的大規(guī)模制備；（5）開發(fā)生物相容和生物可降解的微納馬達(dá)；（6）提高微納馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)效率。這些問題不僅是當(dāng)下研究的局限，也意味著未來研究的機(jī)會(huì)和無限可能，這是該領(lǐng)域最吸引人的地方。
圖4. 當(dāng)前微納馬達(dá)研究的挑戰(zhàn)
參考文獻(xiàn)：
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
通訊作者簡(jiǎn)介：
孔彪，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家、國(guó)家&上海市高層次人才、復(fù)旦大學(xué)研究員/博士生導(dǎo)師、復(fù)旦大學(xué)山東研究院常務(wù)副院長(zhǎng)。主要開展超組裝SAFs智能材料與器件制備集成，面向超組裝軟界面仿生材料設(shè)計(jì)及組裝、軟界面智能傳感與探測(cè)芯片集成、新型微型化可植入感知器件構(gòu)建、新型微型化可植入新能源器件構(gòu)建的研究和應(yīng)用開發(fā)，致力于為傳感檢測(cè)、軟界面電子光電子器件、仿生軟界面儲(chǔ)能器件等領(lǐng)域提供高效可持續(xù)的軟界面智能材料及器件。目前已發(fā)表包括Nature Chem., Science Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.在內(nèi)的SCI論文120余篇，總被引11000余次，H指數(shù)49。獲侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)、中國(guó)化工學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、上海市優(yōu)秀發(fā)明選拔賽金獎(jiǎng)、科技部重點(diǎn)專項(xiàng)優(yōu)秀青年獎(jiǎng)、聯(lián)合國(guó)工發(fā)組織科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、上海市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、孔子教育基金會(huì)優(yōu)秀科學(xué)家獎(jiǎng)、中國(guó)分析測(cè)試協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)（CAIA獎(jiǎng)）一等獎(jiǎng)、上海市青少年發(fā)展創(chuàng)新市長(zhǎng)獎(jiǎng)、中國(guó)教育部“博士研究生學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng)”、“陶氏化學(xué)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)、澳大利亞Monash大學(xué)優(yōu)秀博士論文校長(zhǎng)獎(jiǎng)、寶鋼教育基金會(huì)特等獎(jiǎng)等。任國(guó)際Frontiers系列刊物副主編，《中國(guó)化學(xué)快報(bào)》Chinese Chemical Letters（CCL）以及Mater Today Sustainability編委。
課題組主頁：https://saflab.fudan.edu.cn/
劉健，內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，特聘院長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，任中科院大連化物所-英國(guó)薩里大學(xué)未來材料聯(lián)合研究中心執(zhí)行主任。入列全球前2%頂尖科學(xué)家“終身科學(xué)成就榜”榜單。長(zhǎng)期致力于納米多孔微球材料的設(shè)計(jì)合成，納米反應(yīng)器構(gòu)筑及在能源、催化相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用研究。迄今以第一作者及通訊作者在Angew. Chem., Adv. Mater., Mater. Today, Matter, Nature Commun., Nature Mater., NSR等著名期刊發(fā)表論文170余篇，總被引 22000余次，H 因子 68，連續(xù)五年入選2018-2022年科睿唯安高引作者。曾獲第 14 屆國(guó)際催化大會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng)（2008）、國(guó)際先進(jìn)材料學(xué)會(huì)獎(jiǎng)?wù)拢?021）等獎(jiǎng)項(xiàng)；2017年入選國(guó)家青年海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃，還獲得了中國(guó)化工學(xué)會(huì)基礎(chǔ)研究獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（2021，排名第一）；主持或參與包括中組部、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家基金委重大儀器研制項(xiàng)目、國(guó)家基金委面上項(xiàng)目、中科院、遼寧省委組織部、澳大利亞基金會(huì)面上項(xiàng)目、澳大利亞基金會(huì)博士后基金等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。目前受邀擔(dān)任“Materials Today Sustainability”主編、《催化學(xué)報(bào)》編委會(huì)青年編委、《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（NSR）材料學(xué)科編輯成員。
課題組主頁：http://mnres.dicp.ac.cn/index.htm
賀強(qiáng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授。從事超分子膠體馬達(dá)與醫(yī)用游動(dòng)納米機(jī)器人研究，提出集自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)與智能載體等多功能于一體的超分子膠體馬達(dá)“自下而上”可控構(gòu)筑新方法，發(fā)展了能適應(yīng)不同生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用需求的游動(dòng)納米機(jī)器人及其驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)調(diào)控方式。在Science Robotics，JACS，Angew. Chem.，Adv. Mater.等發(fā)表論文170余篇，獲黑龍江省科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)。擔(dān)任Journal of Colloid and Interface Science Open 副主編以及Colloids and Surfaces A 編委。
課題組主頁：http://homepage.hit.edu.cn/heqiang
