3D打印微型機器人技術研究

魏天琪，鄭雄勝

（浙江海洋大學，浙江 舟山 316022）

0 引言

3D打印技術（3D Printing Technology）是一種通過連續地疊加物理層，逐層增加材料的方法來將計算機輔助和設計的虛擬3D模型轉化為3D有形物理結構的技術[1]。與傳統去除材料的加工技術不同，因此也稱其為添材制造技術。隨著制造領域和包裝領域的蓬勃發展，傳統的方法已經不能滿足新產品的快速發展需求，而3D打印技術的出現使得制造和包裝領域從傳統手工方法到智能制造與包裝的巨大轉變。由于3D打印具有較高的重現度、自動化程度、更大的靈活性，在產品研發過程中，能夠有效地建立和修正3D模型，可以避免后期繁瑣的修正。因此3D打印技術在食品加工工業[2]、生物醫療行業[3]、航天工業[4]、汽車工業[5]及建筑工業[6]等領域得到了廣泛的應用。

微型機器人是一種最大尺寸為微米級別的人造機器，是一個在眾多領域備受關注的新興研究。3D打印微型機器人技術能夠集成微型機器人技術和3D打印技術的優點，在近些年迅速地推進新興的人工智能制造微機械應用領域的研究發展[7-10]。以往關于機器人3D打印的綜述主要是集中在大尺寸的3D打印上[11-13]，目前在微型機器人的3D打印綜述還比較少，因此本文仔細地整理研究出3D打印技術的種類，在此基礎上討論了微型機器人的3D打印材料，并探討了3D打印智能制造微型機器人在生物醫學等領域的應用前景及未來發展趨勢。

1 3D打印技術的種類

根據美國材料試驗標準F2792[14]，按特定的應用場景將3D打印技術化分為7類，其中包括黏合劑噴射、定向能量沉積、材料擠壓、材料噴射、粉末床熔化、薄片層壓和還原光聚合。

1）黏合劑噴射。黏合劑噴射是一種通過噴射黏合劑使粉末成型的增材制造技術?？捎糜诟叻肿硬牧?、金屬、陶瓷材料的制造，將黏合劑去除并實現粉末顆粒之間的融合與連接，從而得到有一定密度與強度的成品。

2）定向能量沉積。定向能量沉積是一種復雜的印刷工藝，通常用于修復現有部件或向其添加額外材料。定向能量沉積對晶粒結構有高度的控制，能產生高質量的物體。在這種工藝中，注入打印頭的金屬粉末可以在輸出過程中被連續改變。因此，它能夠制造出傳統方法無法完成的特殊物體。

3）材料擠壓?？捎糜诖蛴∷芰?、食品或活細胞的多種材料和多色打印。該工藝已得到廣泛應用，成本非常低。此外，這個過程可以構建產品的全功能部分。例如，熔融沉積成型（FDM）可以通過加熱和擠壓熱塑性長絲，從下到上逐層制造零件。

4）材料噴射。材料噴射是一種相對較新的最快、最精確的3D打印技術之一，主要使用噴射出液體光聚合物液滴，液體光聚合物液滴在紫外光的照射下固化，由此制造零件。因為光聚合物樹脂在固化之前以液滴噴射，所以通常被比作2D噴墨工藝。

5）粉末床熔化。包括電子束熔化、選擇性激光燒結和選擇性熱燒結技術。該方法使用電子束或激光將材料粉末熔化或熔合在一起。在這個過程中使用的材料有金屬、陶瓷、聚合物、復合材料和混合材料。基于粉末床熔化的選擇性激光燒結技術可用于制造金屬、塑料和陶瓷制品。

6）薄片層壓。該方法是將薄片材料黏合在一起形成物體的一部分。這種工藝的優點是片材層壓可以做全色印刷，它相對便宜，材料處理容易，多余的材料可以回收利用。層壓制品制造能夠以較低的制造成本和較少的操作時間制造復雜的幾何零件。

7）還原光聚合。還原光聚合通常指的是通過使用激光、光或者紫外線固化光反應性聚合物。使用光聚合的3D打印技術有光固化立體成型技術（SLA）和數字光處理（DLP）等。光聚合適用于制造具有良好細節和高表面質量的優質產品。

現如今，3D打印技術已經不再僅僅局限于原型的制造，而是越來越多地用于產品設計制造的各個環節，尤其是在智能制造領域中，3D打印技術占有越來越重要的地位。

2 微型機器人的3D打印材料

由于3D打印技術很難使精度達到微米級別，阻礙了微機械、微光學、微電子學、生物醫學材料打印等領域的普遍應用。而三維激光打印的出現突破了傳統光學的特性，對高精度和空間分辨率需求的3D打印技術產生了創新性的影響。因此，本文主要針對基于激光的3D打印材料進行詳細研究，其中包括SU-8光刻膠、IP系列光刻膠和光交聯水凝膠等。

2.1 SU-8光刻膠

SU-8光刻膠是一種負環氧型的光刻膠，在3D微制造中是最常用的材料之一，尤其是用于微型機器人。SU-8的名字來源于“SU”，表示為“由UV構成”，而“8”表示平均有8個環氧基[15]，如圖1所示。SU-8光刻膠具有高光學透明性、低成本及加工時間短、制造方便等優點，是一種廣泛應用于生物醫學微機器人的結構材料。例如基于SU-8光刻膠，Vizsnyiczai等[16]研究了一種細菌驅動的光控3D微電動機，用于有針對性的藥物輸送。Li等[17]開發出一種帶鋸齒狀尾翼推進接口的微型游泳機器人，可以快速地對大型貨物進行定向運輸。李杰等[18]介紹了一種采用毛刺狀的多孔球形結構的磁性微型機器人，可以在體內有針對性地攜帶和運送靶細胞。Das等[19]設計了一個微型機器人平臺，可以將生物細胞間的信號分子按需傳遞，并且能夠對基因進行調控。此外，含SU-8光刻膠和11 nm的Fe3O4納米粒子的磁性聚合物納米復合材料還可以在單細胞中按需定向給藥等[20-21]。

圖1 SU-8中的環氧基團是在紫外光（UV）照射下的聚合反應[15]

2.2 IP系列光刻膠

IP系列光刻膠是一種標準的光聚合材料，具有高形狀精度、高分辨率、易于操作等優異性能，已被廣泛應用于制作功能性微光學器件和生物醫學微器件（如3D微夾持器[22]）。如圖2所示，IP系列光刻膠主要有IP-L光刻膠、IP-S光刻膠、IP Dip光刻膠、IP-G光刻膠及IP-Q光刻膠、IP Visio光刻膠等。使用IP系列光刻膠的3D打印微型機器人設備擁有很多潛在的應用，例如Wang等[23]設計了一種磁性螺旋微型機器人，可以用于單細胞的定位及貨物運輸的控制。Ren等[24]介紹了一種基于聲學氣泡的微游泳器，能夠自由地在3D范圍內運動，并且能夠選擇性地運輸單粒子。Yasa等[25]在考慮優化運動性能和免疫性能的結構的情況下，開發了一種用于靶向免疫治療和免疫調節的磁微游泳器。Xu[26]提出了一種結合磁驅動微電動機與合成蛋白質的透明質酸微片的集成系統，用于精細胞的定向捕獲、運輸和釋放。此外，Adam[27]闡述了微型機器人應用的輔助技術，介紹了先進的微機器人技術的跟蹤成像功能。

圖2 IP系列光刻膠類別

2.3 光交聯水凝膠

光交聯水凝膠是一種能夠通過暴露在光中以時空方式操作的具有高水化度和交聯能力的一種材料，常用于實現各種生物醫療應用所需的功能。例如文獻[28]，它們可以模仿細胞外基質對細胞的功能進行調節。在文獻[29]中，它們能夠通過調整物理、化學及生物的特性來達到預期的目的。此外，光交聯水凝膠在廢水污染物（包括重金屬、營養素及有毒染料等）的去除上也表現出優異的性能[30]。光交聯水凝膠主要有3種，分別是明膠甲基丙烯酰(GelMA)、甲基丙烯酸透明質酸(MEHA)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)。其中GelMA水凝膠已經應用于開發各種3D仿生體外健康和疾病組織模型[31]；MEHA水凝膠也在癌癥治療的藥物傳遞中得到了應用[32]；而PEGDA水凝膠也已經成功應用于軟骨組織工程[33]，用來對軟骨關節的動、靜態力學特性進行模擬。

3 3D打印微型機器人的研究現狀

3.1 生物醫學微型機器人

醫工交叉是一個新興的跨學科研究領域，通過結合3D打印技術的優點，可以以更小的結構及更復雜的功能智能制造出生物醫療微型機器人，使其能夠在復雜的人類生理環境中完成特定的任務。因此3D打印微型機器人在生物醫療領域能夠更好地服務于人類，具有巨大的研究價值。

在生物醫學的治療方面上，Bozuyuk等[34]提出了一種磁驅動的雙螺旋微型游泳器，該游泳器可以使用外部光刺激，然后按需主動地釋放化療藥物。首先，采用3D打印技術制備出殼聚糖磁性聚合物的納米復合材料，然后將阿霉素視為光可裂解的連接劑，用以修飾微粒子上的氨基，最后將殼聚糖賦予微型游泳器生物相容性和生物降解性，從而用于生物設置。該方法結合了光觸發給藥與磁動力微游泳器遷移率，滿足了醫療任務的高精度和高效率，這使得微系統有望應對與治療各種疾病的藥物的主動和控制傳遞相關的挑戰。Barbot等[35]展示了一種用于直徑為140～830 μm的纖維功能化微型機器人平臺，在此基礎上開發出2個用于校準光纖上的浮動電子電路的2 mm×3 mm×200 μm的微型機器人。該微型機器人的位置和方向可以通過永磁體在空氣或者水界面得到控制，其中磁鐵的非均勻磁場與微型機器人中記錄的不同優先磁化方向有關，從而使得2個微型機器人之間的距離可以精確控制。通過實驗，成功地驗證了這種控制模型的性能。Hwang等[36]展示了一種精確、高效并且可控殺死、降解及去除生物膜的催化抗菌微型機器人。該微型機器人能夠利用雙重催化磁功能的氧化鐵納米粒子產生殺菌自由基和分解生物膜胞外多糖，并且可以通過磁場驅動微型機器人組件去除碎塊化的生物膜，從而可以對生物膜感染實施持續治療，減輕醫療設備的各種表面生物污染。

在生物醫學的組織再生方面，Li等[37]研究了一種磁性毛刺狀球形的多孔微型機器人，能夠將目標細胞通過磁場的驅動下攜帶并運送到所需的體內位置。首先用制造微型機器人的激光光刻3D打印技術為機器人的結構優化提供了足夠的靈活性，接著選擇干細胞等不同類型的細胞進行檢測，通過將細胞轉移到玻璃基底上，用以模擬釋放細胞的跨內皮遷移，并且在裸鼠體內釋放細胞，證明了所設計的微型機器人具有細胞釋放性能。該研究為基于細胞治療的再生醫學提供了一個微型設備平臺。Wang等[38]基于無細胞毒性和可生物降解的GelMA水凝膠，設計出一種能夠3D打印蛋白質的微型機器人系統的通用方法。該方法可以打印出不同尺寸的微型結構，與以往的剛性微型游泳器對比（剛性微型游泳器的前向速度隨著旋轉頻率的增加急劇下降），GelMA微型游泳器可以隨著旋轉頻率的增加保持相對較高的前向速度值。由于GelMA微型游泳器具有一種生物活性和生物可降解材料的優良性能，使得其能夠成為生物醫學微型組織再生機器人及微型生物降解機器人的一個重要發展方向。

在生物醫學的細胞和藥物輸送或者釋放方面，Medina-Sánchez等[39]研發了一種新型的人工精細胞混合微型電動機。該微型電動機能夠運送缺乏運動能力的精細胞，以此來幫助它們完成其自然功能。Ceylan等[40]設計了一種磁動力控制的擁有雙螺旋結構的3D微型游泳器，能夠用于藥物的輸送和釋放任務。該游泳器是一種水凝膠的、可酶降解的微型游泳器，具有在微環境中病理標記的響應性。Baker等[41]利用雙光子光刻技術對微型自推進游泳器中的多行為反應進行納米級的3D打印，并通過形狀自治和多行為反應進行編碼。通過理論基礎加上實驗對比，證明了該游泳器的圓環體中的環面在磁場的作用下，可以不斷地在兩種主要的游動模式間進行切換，其中：在第一種模式下，微型自推進游泳器會線性地并且平行地游到基片上；在第二種模式下，微型自推進游泳器會定向垂直于基片?？梢詫崿F貨物的操縱與運輸，如將細胞送到特定的地點進行細胞治療。該3D打印的微型游泳器是第一次由自主的人工游泳器操縱活性物質，對智能細胞運輸和治療的發展留下了深遠的影響。Bernasconi等[42]通過對立體平版打印、3D打印及濕法金屬化等成本效益高的制造技術的結合，成功地打印出一種圓柱形支架結構。該結構是一種在生物醫學領域中能夠完成靶細胞遞送任務的功能型微型器件，例如通過施加適當的定向旋轉磁場來實現對該結構速度與位置的控制，使其成為人體靶向細胞傳送的潛在工具。Xu等[43]提出一種能夠主動逆著流動的血液游動，并且具有肝素貨物輸送性能的混合精細胞微型電動機。在該系統里，混合精細胞微型電動機可以進行磁性引導和貨物輸送。此外，單個精細胞微電動機經過磁化后可以組裝成將多個精子或者醫療藥物輸送的一種載體，用于血液凝塊及循環系統中其他疾病的治療。Wang等[44]基于可動金屬-有機框架(MOFs)成功地開發出具有螺旋運動且伴隨著生物的相容性和pH響應特性的一種微游泳器。該游泳器能夠沿預先設計的軌跡在弱旋轉磁場的控制下進行一系列的游動，并且可以由螺旋結構的表面厚度與致密性通過合成條件（包括反應物濃度及反應時間）的變化來進行調整。通過實驗，證明這些游泳器能夠在細胞培養基中實現單細胞靶向，可以在復雜的微流體通道內跟蹤復雜的軌跡，并且有選擇性地攜帶和釋放藥物，是一種制造集成多功能系統的新方法。

在生物醫學的跟蹤、成像及微創顯微手術方面，Servant等[45]首次對一群磁性螺旋微游泳器采用小于10 mT的外部磁場進行實驗研究體內的成像及驅動。這是生物醫療中跟蹤和成像的重要里程碑，在合成生物學、輔助受精及藥物或基因傳遞中有著廣泛的應用。De等[46]提出了一種克服3D機器人受到傳統3D打印技術材料限制的間接3D打印方法。該方法將直接激光寫入產生的高分辨率微模型注入到聚合物中，通過溶解得到最終的3D打印微型結構，用于直接打印3D和4D微型機器人。此外，該方法具有制造和驅動填充有磁性納米粒子的明膠螺旋的多功能性，并且擁有5 μm的最小特征尺寸的形狀記憶特性支架狀微型結構。該方法能夠制造出用于微創手術的微型機器人和手術工具，在未來的生物醫療設備中，為制造出3D和4D打印的微型機器人打下了基礎，具有重要的研究價值。

3.2 可編程自組裝微型機器人

可編程自組裝是一種形狀、連通性及靈活性都具有可編程性的自組裝模體[47]，通過引入可編程自組裝技術可以將異構部件集成到具有特定結構、動力學和功能性的3D微型機器人中。在2017年，Vizsnyiczai等[48]利用直接激光3D打印技術制造出一些具有亞微米特征的復合微結構，這些復合微結構可以引導和排列單個細胞形成有序的結構。實驗表明，通過3D微型結構和轉基因游泳菌的自組裝，可以獲得快速、低噪聲及受光控制的生物合成微電動機。Alapan等[49]提出了一種通過預先編程的結構和電動機單元之間的物理相互作用，并且具有所需配置的動態自組裝移動微型機器人。該機器人組件是對單個零件的三維形狀編碼，通過介電相互作用驅動的。與傳統單片微型機器人不同，由磁性和自走式電動機部件組裝而成的微型機器人可以表現出可重構的運動模式和附加的轉動自由度。試驗結果表明，形狀編碼的裝配路徑能夠實現可編程和可重構的移動微型機器人。該方法為多功能型微型機器人的制造提供了一種有效的解決方案，在微型機器人學、生物醫學等領域有著廣泛的應用。

3.3 其他功能型微型機器人

2019年，Skylar-Scott等[50]提出一種能夠產生與體素有關的多材料、多噴嘴3D（MM3D）打印技術。該方法首先利用壓力驅動的屈服應力流體的流動特性，在多種材料之間進行高頻無縫切換，從而實現使非均勻體化體素的連續打印成為可能，接著設計出一種能夠快速打印具有空間編程、結構及性能組成的三維物體的多材料多噴嘴打印頭，最后打印出兩個實施例（即可折疊的折紙圖案和可移動的微型機器人）突出MM3D的功能，并且可以通過MM3D打印對各種性能的結構、生物材料進行圖案化。2021年，Tyagi等[51]設計了一種微型機器人的3D打印技術，目的是為了在微米級中制造出更小尺寸的結構。首先使用定制的擠壓式3D打印機，將微執行器尺寸縮小到300 μm×1000 μm，接著在20 μm的最小厚度下，從器件結構的計算機輔助設計模型出發，采用結合打印體和電活性聚合物的微致動器驅動執行器，然后制作并操作了長度從1000～5000 μm不等的微執行器，從而證明3D打印過程的簡便性和通用性，最后用3D打印技術打印出由剛體和單獨控制的自由移動的手臂或腿組成的微型機器人裝置，用來探索微型夾持器、微型機械手及微型機器人的3D打印技術。該方法為使用3D打印微型夾持器、微型機械手和微型機器人的局限性提供了一定的見解。

此外，Bernasconi等[52]將立體光刻3D打印技術與濕法金屬保護技術相結合，開發出一種用于水清洗的環境微型機器人。該微型機器人通過使用化學沉積和電解沉積將不同的金屬層沉積在3D打印部件上來實現所需的功能。首先利用電解沉積的靈活性和通用性將污染物光降解和殺菌結合在同一裝置上，然后在銀基體中涂覆含有二氧化鈦納米顆粒的復合納米涂層，最后添加旋轉磁場，成功地實現了環境微型機器人的驅動。從凈水效果看，該微型機器人在水污染處理上具有顯著的光催化活性，并且對革蘭氏陰性菌具有顯著的抗菌活性。該方法對未來的人類生存環境具有意義非凡的研究價值。

4 3D打印微型機器人的研究展望

4.1 生物醫學微型機器人的展望

目前對于生物醫學微型機器人的研究大多數還停滯在臨床前試驗，包括體外試驗和動物體內試驗。對于人類體內的醫學問題，需要考慮多種因素，其中最重要的是生物醫學微型機器人生物可降解性，這就要求3D打印的微型機器人在處理特定的醫學任務后，能夠在人體內完全降解，降解的產物對人體無害。此外，還需要考慮微型機器人的形狀大小、組成材料、驅動方式、控制原理、生物成像及在人體內的部署、體外操作醫生等之間的相互作用。醫學微型機器人的最終目標是人類體內應用，在未來的研究中，應當深入了解和研究醫學微型機器人與上述因素之間的相互作用，可以結合人工智能技術來優化微型機器人的設計，為3D打印醫學微型機器人在人體內的實際應用鋪平道路。例如在2017年，Colabrese等[53]闡述了強化學習算法在復雜流場中模擬自適應行為的潛力，解決了智能微游泳器導航的難題。2020年，Soto等[54]提出了一種利用機器學習算法快速地對微型機器人的閉環操作數據進行評估的理念，利用機器學習算法可以設計和開發出具有適應環境變化和復雜目標任務的新型智能微型機器人。

4.2 可編程自組裝微型機器人的展望

可編程自組裝技術可以將信息從單個部件轉換為集體整體，使其能夠產生復雜的微米或納米顆粒來處理運動、能量和信息，已經廣泛引起了研究人員的關注[55-56]。雖然研究人員在設計3D打印制造微型機器人的過程中，能夠根據其靈活性很容易地改變微型機器人的大小和形狀等，但也存在著一些與自組裝相關的問題，比如殘缺、層次結構、相位分離及密度等，造成了不能夠將異構部件集成到具有特定結構、動力學和功能性的3D微型機器人中。展望未來，我們需要努力挖掘出可編碼自組裝在動態、可編碼及可重構性與位置選擇性等方面開發3D微型機器的潛力，并將模塊化微型機器集成到分級3D多尺度系統中去，創造出更復雜的3D微型機器人。

4.3 其他功能型微型機器人的展望

對于每一種功能型微型機器人來說，在執行任務時都會產生大量的數據，將這些大數據收集起來，采用數據分析法能夠實時更新數據，從而找到一種更好方式去完成任務。例如，可以借助數據分析及時調整環境微型機器人的運動參數和驅動參數，讓微型機器人能夠及時地去適應局部環境，從而更好地完成凈水任務[52]。

5 結語

3D打印微型機器人技術能夠集成3D打印技術和微型機器人技術的優點，在近些年迅速地推進新興的人工智能制造微機械應用領域的研究發展。本文詳細地綜述了3D打印微型機器人技術。首先按特定的應用場景整理研究出3D打印技術的種類；接著介紹了微型機器人的3D打印材料，并對基于激光的3D打印材料進行詳細研究；然后詳細地闡述了國內外3D打印微型機器人在生物醫學等領域的應用與研究現狀；最后討論了3D打印微型機器人的研究展望，并對未來的研究方向給出了自己的見解。希望可以在3D打印微型機器人研究方面提供深入的了解和認知，促進智能制造微機械等行業的應用與研究。