隨著功能性納米材料、納米催化、微納加工技術等納米科技的飛速發展，為機器人技術和微納生物學/納米醫學之間的結合，找到了一條可行路徑，微納米機器人應運而生。因其體積小、可無線操控、靈敏度高等優勢，在疾病診斷、靶向藥物送、微創手術、生物傳感等領域展現出巨大的潛力和廣泛的應用價值。
工業 4.0趨勢和生產流程自動化一直在不斷推動微納米機器人在工業環境中的部署，據FMI（Future Market Insights）的統計及預測，2023年全球微型機器人市場估值達到了317.3億美元，預計2033年將達到1591.7億美元，年復合增長率（CAGR）為17.5%（2023-2033）。
根據材料不同，微納米機器人可分為人工型、生物型、生物混合型三種。其中生物混合機器人（biohybrid robots）具有高能量轉換效率和生物相容性的特征，通常作為驅動器的活體生物，預計將在全球微型機器人市場繼續受到關注，2023 年至 2033 年的年復合增長率為 17.0%。
生物混合機器人，主要由生物組織構成，其優勢在于可生物降解、自我修復和強適應性，這使得它們在模仿生物體方面擁有巨大的發展空間。電極對于控制生物混合機器人的運動至關重要，然而，當電極安裝在肌肉組織外部時，往往會以低效且非選擇性的方式影響鄰近的生物混合執行器。因此，研發能夠選擇性刺激高收縮距離的肌肉組織的嵌入式電極，已成為一個迫切需要解決的問題。
鑒于此，東京大學研究團隊研發了一種可嵌入骨骼肌組織的柱狀電極，實現對目標肌肉的強化收縮，同時確保距離目標肌肉4毫米遠的鄰近組織不受影響。
相關研究成果以"Pillar electrodes embedded in the skeletal muscle tissue for selective stimulation of biohybrid actuators with increased contractile distance"為題發表在《Biofabrication》上。
研究團隊通過使用有限元方法（FEM）模擬來建立選擇性模型，將肌肉組織內電場強度的體積積分（VIE）與不同電脈沖幅值下的實際收縮距離相關聯。
圖1. 嵌入骨骼肌組織的柱狀電極與傳統電極的概念對比和結構設計分析
研究中的柱狀電極是由柱狀金屬陣列和底座封裝而成。在實驗中，研究團隊利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch? S140，精度：10μm）制備了微柱陣列模具以及底座（內部含有流道）。
其中微柱陣列模具結合PDMS翻模技術得到柱狀電極模具（PDMS cap），再與底座組裝后，采用真空填充方法注入低熔點合金，最終成功制備了柱狀電極。實驗證實，柱狀電極在實現收縮距離和選擇性方面，優于傳統的金棒電極。此外，模擬得到的選擇性指數與實驗數據相吻合，這進一步表明了柱狀電極在高效且選擇性地刺激生物混合執行器方面具有顯著潛力。
圖2. 柱狀電極制備流程
綜上，采用柱狀電極驅動的生物混合機器人能夠執行更加復雜的運動。這種創新技術在制造肌肉組織密集排列的生物混合機器人領域顯示出巨大的發展潛力。
通過微納3D打印技術，可以在微納米機器人中集成更多的功能，如傳感器、執行器等，這使得微納米機器人能夠執行更復雜的任務，如在細胞內部進行藥物遞送，或在微小空間內進行精細的操作。
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原文鏈接：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad4ba1
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