助力最小系统构建：用磁场为微组件供电

随着我们周围的技术进入非常规领域，例如戒指和眼镜，小型化和微组装的奇迹重新定义了规则。小型化是指使产品和设备变得更小的趋势，特别是在电子、机械和光学领域。另一方面，微组装是将通常小于 1000 微米的微尺度组件精确纵、定向和组装成复杂的功能性混合微系统，例如微机电系统 （MEMS） 中的微系统。

小型化和微组装这两个概念是电子行业最相互关联的主题，为从家庭到电器、从道路到车辆的下一代技术革命提供动力。这个庞大的应用迫使我们跟踪和了解该技术的最新动态，同时也要考虑该行业必须提供的挑战和机遇。医疗电子领域的最新研究揭示了导致新微系统开发的某些挑战。以下文章旨在揭示这些最新的观察和发展。

异构集成有什么问题？

随着宏观器件转化为微/纳米尺度的对应器件，电子器件、微机电结构（MEMS）和光电器件等组件在同一基板上的集成是一个有争议的问题。这是因为由于缩放效应，不同的物理力以不同的比例表现出来。

例如，主要源自表面张力、范德华力和静电力的附着力是显微纵的基本局限性。特别是，当部件尺寸小于 1 mm 时，物体之间的粘附力与重力相比是显着的。这意味着，随着组件（目标物体）变小，表面积与体积比增加，导致更明显的缩放效应，从而在微型器件的制造中产生困难。

所有这一切都是因为随着我们从宏观尺度转向微观尺度，物理考虑因素发生了变化。早期进行的研究表明，微型/纳米机器人对环境参数很敏感，并且不同介质中的主导力是不同的（只有范德华力无处不在）。

随着鳞片的减小，必须使用光学或电子显微镜研究肉眼看不见的物体。虽然控制每个物体的能力减弱，但它们的集体属性变得更加重要。这些与尺度相关的物理原理需要不同的策略来设计微米和纳米水平的器件。自然地，宏观尺度上直接的挑战在这个领域变得更加复杂。

当我们开始探索使用该技术的各个领域时，微组装/微作工艺的设计必须考虑这些因素，以隔离不需要的干扰，这在实践中是一项具有挑战性的任务。

解决方案是什么？

根据发表在爱思唯尔《工程月刊》上的一篇论文，它讨论了这个问题以达成解决方案。本文讨论了各种解决方案，其中之一是 Yu 等人的多聚体设计，研究人员将几小块不同材料组合成一个相连的组。这确保了早期容易因较高力而粘附的纳米颗粒被防止首尾滚动，从而不断改变接触点。这种动态运动减少了接触的时间和面积，因此粘连性较弱。

这在逻辑上转化为具有不同几何形状和材料的不同微尺度组件的建筑组件。组装的设备通常通过非共价相互作用进行纵，对温度、压力和流量等环境刺激做出反应。最终，该论文建议使用磁场、光场和声场以及机械方法来产生微/纳米尺度的驱动功率。此外，由于其快速响应和远程控制能力，基于磁场的方法为一维 （1D） 到 3D 微组装提供了途径。

虽然有多种方法，但我们现在只关注电磁原理。纳米颗粒的磁场诱导组装 （MFIA） 允许磁颗粒在磁场的影响下进行一维、二维 （2D） 或 3D 组织。这是指粒子在磁场内的自动和自发排列，而不是由人工移动目标引起的组装。实验还表明，即使在体内应用中，在均匀强度的磁场下，纳米颗粒也会以线性、链状或六边形图案排列。

因此，利用外部磁场，可以制造编程设备，将它们变成磁驱动的微型机器人。使用相同的原理，磁控微型机器人已被用于多种不同的微组装任务。组装好的块状、球形和片状磁掺杂装置可用于辅助机器人推动不同的单元进行微型部件的组装。

这如何提高抓地力和控制力？

电磁场可以精确控制磁性微型单元。通过对其磁响应进行编程，这些单元可以以定向方式移动并组装成所需的结构或群体。临时锚固方法（如水凝胶或机械锁）可防止意外移动，确保组装完成前的稳定性。先进的设计，例如四极杆模块，还可以最大限度地减少相邻单元之间的干扰。这些技术共同提高了装配过程中定位精度和微型部件的抓握力或稳定性。

另一种微组装方法使用磁性微夹持器，可以固定和运输单个单元。与主要将部件推入到位的磁性微型机器人不同，微型夹持器可以直接抓取它们，从而实现更精确和复杂的 3D 组装。

总之，组装的磁性微型机器人在旋转磁场下表现出多功能且可控的推进力，从而实现运输、搅拌和靶向输送等功能。虽然磁性微立方体等人工设计展示了用于细胞运输的结构化组装，但生物混合微型机器人通过将磁性材料与活细胞集成来扩展这些可能性。此类创新，包括能够进行 3D 导航和药物输送的基于巨噬细胞的机器人，凸显了磁性微型机器人在先进生物医学应用中不断增长的潜力。

应用

这些微组件可以形成不同的几何形状，并且随着磁场的逐渐消散而很容易解耦。这种结构重组的灵活性使他们能够适应和克服不同的环境限制。将编程磁性组件扩展到具有编程方向和结构的生物材料，自由基对生物材料的顺磁性已被用于赋予不同任意性的磁性组件具有编程方向和结构。

最终，磁性器件的使用为微生物学的发展提供了基础。当这些单元通过闭环控制发挥作用时，例如在药物输送中，它们可以被归类为微型机器人，而不仅仅是微图案组件。

带有磁性微型机器人的微型组件：应用外部磁场既可以将不同的组件转换为编程设备，也可以将它们变成磁驱动的微型机器人。本节总结了组装微型机器人的磁驱动和导航。这些微型机器人可分为两种主要类型：用于机器人辅助组装的磁驱动微型机器人和作为载体或输送器的组装游泳磁性微型机器人。

1. 仿生微型机器人：磁控仿生微型机器人在微组装任务中显示出巨大的潜力。不同的几何形状（例如块、球体、薄片和立方体）使它们能够在流体和固体环境中推动、抓取或运输组件。

1. 磁性微型夹持器：这些是能够抓取和运输单元的微组装工具，比基于推动的微型机器人能够实现更复杂的 3D 组装。它们采用磁性和非磁性树脂的数字光处理 3D 打印等技术制造，可以在磁场的远程引导下在密闭空间内运行。

组装游泳磁性微型机器人作为载体或输送器：组装式磁性微型机器人在旋转磁场的驱动下，可以在不同的流体环境中实现可控的推进。它们可以配置成链状结构以运输细胞或充当微搅拌器。除了人工设计之外，生物混合微型机器人（例如基于巨噬细胞的系统或趋磁细菌）还可以实现精确的药物递送和癌细胞靶向。这些基于细胞的微型机器人能够形成二聚体、三聚体或四聚体，对光等环境线索做出反应，提供多功能且有针对性的递送应用。

突出的挑战

虽然这项技术拥有巨大的潜力，但它也带来了一些需要应对的固有挑战。下面列出了其中一些：

1. 小型化和生产：空间限制和规模不匹配需要双光子聚合等先进方法。

2. 处理易碎物体：柔性结构（例如神经电极）需要高精度;目前的方法成本高昂或缺乏准确性。

3. 反馈限制：视觉系统在封闭环境中会失效;替代方案包括 Fiber Bragg 传感器、微型内窥镜和 MRI 兼容机器人。

4. 自动化：过度依赖视觉会降低鲁棒性;自主导航需要强化学习等高级策略。

5. 安全性：金属磁性残留物存在风险;生物友好型载体有帮助，但仍缺乏安全的去除方法和标准化评估。

总之，MFIA 和磁性微型机器人为微组装提供了多功能的远程控制工具，在生物医学工程领域具有强大的潜力。它们的更广泛采用和临床应用将取决于克服关键挑战——实用性、复杂的几何形状、封闭环境中的可靠反馈、更高的自动化程度和材料安全性。