Nature Nanotechnolgy：科学家构建灵敏度达500飞牛的微米机器人精子在进入卵子结合成为受精卵之前，具体需要多大的推进力才能将卵子膜“钻透”？怎样才能模拟精子等基于形变的软体驱动？能否制造一种可精确开合的镊子，来随心所欲地操纵精子等细胞呢？
想要准确回答上述问题，需要一种灵敏度达皮牛（pN，10^-12N）量级的大形变弹簧。近期的一项科学进展，让这种高精度测量成为可能。
中国科学院深圳先进技术研究院徐海峰副研究员团队与合作者构建了包含弹性模量编程在内的 4D 纳米打印技术，构建出灵敏度达到 500 飞牛（0.5pN）微米机器人，相当于一个细胞重力的千分之一。
并且，可精确定义弹性和磁化分布，响应精度高达 1μm/pN。在超过 100 次的疲劳测试中，皮牛弹簧系统能够恢复 99% 以上的大形变，确保了工作的稳定性。
“我们构建的弹性体 4D 纳米光刻技术，可以加工各类具备精细结构的柔性微米器件，比如可视化的皮牛级弹簧测力计、夹持力精确可控的无线微镊以及纯磁控仿生软体微米机器人。”徐海峰表示。
徐海峰副研究员为该论文第一作者兼共同通讯作者，德国莱布尼茨研究所丽安娜·麦地那·玛丽安娜（Mariana Medina-Mariana）博士以及德国开姆尼茨工业大学奥利弗·施密特（Oliver Schmidt）教授为论文共同通讯作者。
这些“皮牛弹簧”能够作为能量传递机制，用于定制化构建微米级的软体机器人。具体来说，它们在被自由编程后，能够作为驱动器将接收的动能转化为势能储存起来。然后，在合适的时机将势能按需释放。
“皮牛弹簧”的尺度与单细胞大小相似，并集成感知和驱动功能，可执行抓取和运动等任务。这种将软弹簧集成到 3D 纳米制造的方法，能够批量地生产软体微米机器人，实现与细胞和组织等敏感目标的轻柔交互效果。
值得关注的是，“皮牛弹簧”属于纯机械控制的镊子，它的优势在于不需要改变所控制物体的周围环境，而实现对控制物体的安全操作。
由于全程只有磁性参与，在进行细胞操纵任务中，不仅可实现不受 pH 值、温度、激光等因素影响的无干扰操纵，还可以精确地调节细胞夹持力。
因此，“皮牛弹簧”作为微米测力计、磁控夹持器等细胞尺寸的机器人系统应用领域广泛，为细胞力学、细胞筛选和转运等研究提供皮牛级精准、生物安全、可遥控的研究平台。
该研究有望开发便携式细胞力学表征仪器以及自动化细胞操纵设备，为细胞生物学研究和微创手术治疗提供有效支持。
首先，可作为微米夹持器（微米镊子）能够对靶向细胞进行无干扰的多自由度操纵，且不依赖于任何可能对细胞造成干扰的刺激。例如，应用在生物医疗领域进行精准操纵细胞、分选单细胞等。
其次，作为弹簧微米测力计，能够实时、原位地精准测量细胞相关的力学表现。例如，测量精子、化学马达和磁控螺旋等微纳机器人的推进力（泳动力）。
再次，对静态力进行皮牛级精准测量，包括表征细胞的机械性能、细胞的弹性模量、细胞的迁移力等。
另一方面，研究人员还利用微米企鹅和微米海龟两种微米机器人进行应用验证。实验表明，微米企鹅和微米海龟可在仅由磁场遥控条件下，实现自由变形和软体驱动。
在此之前，微纳机器人由于刚性限制，只能控制简单的前进、后退、旋转等动作。如果想让它实现更复杂的动作，就需要在更小（10 微米左右）尺寸下，加上弹簧做成弹性体。
但是，弹性体光刻本身是极其复杂的问题，弹性体的 4D 光刻技术是整个研究的基础。徐海峰等人构建的技术能够实现微型弹性机器人的纳米精度和定制化任意形状的 3D 打印。也就是说，该技术在 3D 打印基础上加上弹性维度，从而达到 4D 打印的效果。
徐海峰指出，根据文献报道，人体在 8 特斯拉以下即为安全磁场，而我们的皮牛弹簧磁场强度为 10 豪特。在保证组织内穿透能力强的基础上，对于所有的生命体是绝对安全的。
徐海峰本科及硕士毕业于北京大学药学院，在德国莱布尼茨固态与材料研究所以开放设计的生物复合机器人及其医学应用为研究课题，师从德国科学与工程院院士奥利弗·施密特（Oliver Schmidt），并以博士最优等学位（summa cum laude）毕业。
随后继续在该校从事博士后研究，研究方向为细胞传感与转运的 3D 纳米光刻器件。2020 年 8 月，他加入中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所担任副研究员。
此前，他曾设计世界首个弹性机关触发的抗癌精子机器人，即一种类似于四足机器人的弹性机构。这种微型机器人可以“抓住”精子并精准递送到癌细胞，作为一种用于妇科癌症治疗的靶向给药新手段[2]（DeepTech 报道：精子添加导向装置摇身变成靶向给药新手段，将用于妇科癌症治疗）。
当然，本次的新研究也有一些待解决的问题，例如该机器人系统尚未完全实现自动化，即对外界进行感知后实现自主控制反应。基于此，该课题组下一步计划未来向自动化控制的细胞操纵平台，以及自动化控制的极低生物力测量平台继续深入研究。
