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，以便能夠對微生物進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研究院的徐海峰團隊通過開發超彈磁性光刻膠，構建了包含彈性編程在內的彈性體4D納米光刻技術，制備了迄今最靈敏的人造彈簧系統——皮牛彈簧（picospring）。該系統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動的微米企鵝和微米海龜等機器。 該文章發表在微納器件領域頂級雜志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研究院為論文第一單位，合作單位為德國萊布尼茨固態與材料研究所與開姆尼茨工業大學。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作為其關鍵部件而來?？梢哉f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來執行力感知、捕食、驅動等動作。把彈簧的應用推廣到微觀世界，而發明出具備彈簧機構的微納器件是人類長久以來的一大構想。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。其關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了彈簧觸發的抗癌精子機器人以及抗血栓的精子火車機器人。研究發表在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，徐海峰團隊開發出世界首個納米加工精度的彈性體光刻膠，構建了包含彈性模量在內的彈性體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生微米級的響應，可以用來測量包括精子在內的物理、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，實現包括夾持在內的8個自由度運動。通過編程磁場模式，可以實現微米機器人翻滾、旋轉、夾持、釋放等多模態運動的解耦控制，針對特定目標物，如活體細胞進行夾持和轉運。該過程不涉及任何如光、熱、離子或pH等細胞敏感的環境變化，真正實現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，實現了僅有磁場控制的20微米尺寸的微企鵝和微海龜的軟體驅動。
該研究開創了軟體機器人在細胞力學及細胞操縱等領域的應用范疇，為構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基礎。它為細胞水平的非侵入性操縱開辟了途徑，為顯微外科手術和靶向藥物輸送領域提供了新方法。 未來，新型微創甚至無創軟體微米機器人儀器將為細胞力學研究、體內受精以及小腔道內血栓清除和神經干預等醫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）皮牛級磁驅微米企鵝和微米海龜。
徐海峰開發的兩種精子機器人：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
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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
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