隨著我們周圍的技術進入非常規領域，例如戒指和眼鏡，小型化和微組裝的奇跡重新定義了規則。小型化是指使產品和設備變得更小的趨勢，特別是在電子、機械和光學領域。另一方面，微組裝是將通常小于 1000 微米的微尺度組件精確縱、定向和組裝成復雜的功能性混合微系統，例如微機電系統 （MEMS） 中的微系統。

小型化和微組裝這兩個概念是電子行業最相互關聯的主題，為從家庭到電器、從道路到車輛的下一代技術革命提供動力。這個龐大的應用迫使我們跟蹤和了解該技術的最新動態，同時也要考慮該行業必須提供的挑戰和機遇。醫療電子領域的最新研究揭示了導致新微系統開發的某些挑戰。以下文章旨在揭示這些最新的觀察和發展。

異構集成有什么問題？

隨著宏觀器件轉化為微/納米尺度的對應器件，電子器件、微機電結構（MEMS）和光電器件等組件在同一基板上的集成是一個有爭議的問題。這是因為由于縮放效應，不同的物理力以不同的比例表現出來。

例如，主要源自表面張力、范德華力和靜電力的附著力是顯微縱的基本局限性。特別是，當部件尺寸小于 1 mm 時，物體之間的粘附力與重力相比是顯著的。這意味著，隨著組件（目標物體）變小，表面積與體積比增加，導致更明顯的縮放效應，從而在微型器件的制造中產生困難。

所有這一切都是因為隨著我們從宏觀尺度轉向微觀尺度，物理考慮因素發生了變化。早期進行的研究表明，微型/納米機器人對環境參數很敏感，并且不同介質中的主導力是不同的（只有范德華力無處不在）。

隨著鱗片的減小，必須使用光學或電子顯微鏡研究肉眼看不見的物體。雖然控制每個物體的能力減弱，但它們的集體屬性變得更加重要。這些與尺度相關的物理原理需要不同的策略來設計微米和納米水平的器件。自然地，宏觀尺度上直接的挑戰在這個領域變得更加復雜。

當我們開始探索使用該技術的各個領域時，微組裝/微作工藝的設計必須考慮這些因素，以隔離不需要的干擾，這在實踐中是一項具有挑戰性的任務。

解決方案是什么？

根據發表在愛思唯爾《工程月刊》上的一篇論文，它討論了這個問題以達成解決方案。本文討論了各種解決方案，其中之一是 Yu 等人的多聚體設計，研究人員將幾小塊不同材料組合成一個相連的組。這確保了早期容易因較高力而粘附的納米顆粒被防止首尾滾動，從而不斷改變接觸點。這種動態運動減少了接觸的時間和面積，因此粘連性較弱。

這在邏輯上轉化為具有不同幾何形狀和材料的不同微尺度組件的建筑組件。組裝的設備通常通過非共價相互作用進行縱，對溫度、壓力和流量等環境刺激做出反應。最終，該論文建議使用磁場、光場和聲場以及機械方法來產生微/納米尺度的驅動功率。此外，由于其快速響應和遠程控制能力，基于磁場的方法為一維 （1D） 到 3D 微組裝提供了途徑。

雖然有多種方法，但我們現在只關注電磁原理。納米顆粒的磁場誘導組裝 （MFIA） 允許磁顆粒在磁場的影響下進行一維、二維 （2D） 或 3D 組織。這是指粒子在磁場內的自動和自發排列，而不是由人工移動目標引起的組裝。實驗還表明，即使在體內應用中，在均勻強度的磁場下，納米顆粒也會以線性、鏈狀或六邊形圖案排列。

因此，利用外部磁場，可以制造編程設備，將它們變成磁驅動的微型機器人。使用相同的原理，磁控微型機器人已被用于多種不同的微組裝任務。組裝好的塊狀、球形和片狀磁摻雜裝置可用于輔助機器人推動不同的單元進行微型部件的組裝。

這如何提高抓地力和控制力？

電磁場可以精確控制磁性微型單元。通過對其磁響應進行編程，這些單元可以以定向方式移動并組裝成所需的結構或群體。臨時錨固方法（如水凝膠或機械鎖）可防止意外移動，確保組裝完成前的穩定性。先進的設計，例如四極桿模塊，還可以最大限度地減少相鄰單元之間的干擾。這些技術共同提高了裝配過程中定位精度和微型部件的抓握力或穩定性。

另一種微組裝方法使用磁性微夾持器，可以固定和運輸單個單元。與主要將部件推入到位的磁性微型機器人不同，微型夾持器可以直接抓取它們，從而實現更精確和復雜的 3D 組裝。

總之，組裝的磁性微型機器人在旋轉磁場下表現出多功能且可控的推進力，從而實現運輸、攪拌和靶向輸送等功能。雖然磁性微立方體等人工設計展示了用于細胞運輸的結構化組裝，但生物混合微型機器人通過將磁性材料與活細胞集成來擴展這些可能性。此類創新，包括能夠進行 3D 導航和藥物輸送的基于巨噬細胞的機器人，凸顯了磁性微型機器人在先進生物醫學應用中不斷增長的潛力。

應用

這些微組件可以形成不同的幾何形狀，并且隨著磁場的逐漸消散而很容易解耦。這種結構重組的靈活性使他們能夠適應和克服不同的環境限制。將編程磁性組件擴展到具有編程方向和結構的生物材料，自由基對生物材料的順磁性已被用于賦予不同任意性的磁性組件具有編程方向和結構。

最終，磁性器件的使用為微生物學的發展提供了基礎。當這些單元通過閉環控制發揮作用時，例如在藥物輸送中，它們可以被歸類為微型機器人，而不僅僅是微圖案組件。

帶有磁性微型機器人的微型組件：應用外部磁場既可以將不同的組件轉換為編程設備，也可以將它們變成磁驅動的微型機器人。本節總結了組裝微型機器人的磁驅動和導航。這些微型機器人可分為兩種主要類型：用于機器人輔助組裝的磁驅動微型機器人和作為載體或輸送器的組裝游泳磁性微型機器人。

1. 仿生微型機器人：磁控仿生微型機器人在微組裝任務中顯示出巨大的潛力。不同的幾何形狀（例如塊、球體、薄片和立方體）使它們能夠在流體和固體環境中推動、抓取或運輸組件。

1. 磁性微型夾持器：這些是能夠抓取和運輸單元的微組裝工具，比基于推動的微型機器人能夠實現更復雜的 3D 組裝。它們采用磁性和非磁性樹脂的數字光處理 3D 打印等技術制造，可以在磁場的遠程引導下在密閉空間內運行。

組裝游泳磁性微型機器人作為載體或輸送器：組裝式磁性微型機器人在旋轉磁場的驅動下，可以在不同的流體環境中實現可控的推進。它們可以配置成鏈狀結構以運輸細胞或充當微攪拌器。除了人工設計之外，生物混合微型機器人（例如基于巨噬細胞的系統或趨磁細菌）還可以實現精確的藥物遞送和癌細胞靶向。這些基于細胞的微型機器人能夠形成二聚體、三聚體或四聚體，對光等環境線索做出反應，提供多功能且有針對性的遞送應用。

突出的挑戰

雖然這項技術擁有巨大的潛力，但它也帶來了一些需要應對的固有挑戰。下面列出了其中一些：

1. 小型化和生產：空間限制和規模不匹配需要雙光子聚合等先進方法。

2. 處理易碎物體：柔性結構（例如神經電極）需要高精度;目前的方法成本高昂或缺乏準確性。

3. 反饋限制：視覺系統在封閉環境中會失效;替代方案包括 Fiber Bragg 傳感器、微型內窺鏡和 MRI 兼容機器人。

4. 自動化：過度依賴視覺會降低魯棒性;自主導航需要強化學習等高級策略。

5. 安全性：金屬磁性殘留物存在風險;生物友好型載體有幫助，但仍缺乏安全的去除方法和標準化評估。

總之，MFIA 和磁性微型機器人為微組裝提供了多功能的遠程控制工具，在生物醫學工程領域具有強大的潛力。它們的更廣泛采用和臨床應用將取決于克服關鍵挑戰——實用性、復雜的幾何形狀、封閉環境中的可靠反饋、更高的自動化程度和材料安全性。