第一作者：夏力炜、刘懿宽

通讯作者：姚信威教授

通讯单位：浙江工业大学计算机科学与技术学院、先进技术研究院，浙江工业大学化学工程学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202509588

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纳米机器人作为纳米技术、机器人学、生物工程和材料科学的前沿交叉产物，正在彻底改变靶向给药、微创手术和环境修复等领域。然而，该领域的成功不仅仅依赖于单一技术的突破，更取决于先进材料（无机、有机及框架结构）与微纳尺度设计逻辑的深度融合。文章的一大核心亮点在于从结构可视化的视角解构纳米机器人。文章详细阐述了先进显微技术——特别是透射电子显微镜（TEM）以及扫描探针显微镜（SPM）——如何突破传统表征的局限，提供原子级的分辨率反馈。这种“可视化驱动”的方法能够验证设计概念、揭示动态行为（如药物释放、磁性驱动），从而优化下一代纳米机器人的功能性与可靠性。

背景介绍

纳米机器人代表了纳米技术、机器人学、生物工程和材料科学的尖端交叉领域。它们的使命是创造出能够在纳米尺度上执行复杂任务的微型装置。这一领域在医学（如靶向药物递送、微创手术）和环境科学（如污染监测与修复）等关键领域蕴含着巨大的应用潜力，有望彻底改变传统的治疗与治理手段。在本综述的语境下，“纳米机器人”不仅仅是一个纳米尺度的设备，更被定义为一个工程系统——它是先进材料与精密设计逻辑有意整合的结果，旨在执行编程任务。这些系统主要根据其核心构成材料进行分类，这些材料直接决定了其能力与应用场景。尽管纳米机器人发展迅速，但其成功构建高度依赖于对材料和结构设计的根本性理解。传统的表征方法（主要基于衍射原理）在解析微观和局部结构方面存在局限性，往往导致对纳米机器人缺陷的忽视或对其工作机理的偏差解读。与大多数侧重于应用层面的综述不同，本文指出先进的显微成像技术（如透射电子显微镜TEM、扫描探针显微镜SPM）是连接“设计”与“应用”的桥梁。这些技术能够提供关于原子结构和动态行为的高分辨率反馈，这对于验证设计概念、优化性能以及最终增强下一代纳米机器人的功能性和可靠性至关重要。这种“表征驱动”的方法论正在重塑我们对纳米机器人构效关系的理解。

图文解析

1.顶层设计：纳米机器人设计的逻辑架构

文章首先提出一个闭环研发架构：以材料基础（Materials Basis）为起点，通过特定的设计逻辑（Design Logic）进行工程化，利用先进表征（Advanced Characterization）提供关键反馈以优化设计，最终服务于应用（Application）目标。

图1. 纳米机器人研发架构概览图

2. 材料基石：从刚性功能到柔性相容

确立了宏观架构后，首先需要解决的是“原材料”的问题。根据应用场景的不同（如需要刚性穿透还是柔性相容），我们需要选择不同的材料基石。以下图2至图4展示了三大类核心材料体系。无机材料因其优异的物理化学稳定性，常被用作纳米机器人的“引擎”或“骨架”。图2a展示展示了基于AIE聚合物与金（Au）涂层的核壳结构的光热/光动双能马达。通过自组装形成聚合物囊泡，表面溅射金层。在近红外（NIR）光照下，金壳层发生等离激元共振产生热量，这不仅用于光热治疗，还产生热泳力驱动马达运动，实现了诊疗与驱动的一体化。图2b描绘了封装有Fe₃O₄纳米粒子的水凝胶微群。这种设计赋予了机器人“群体智慧”，使其能在外部磁场控制下进行滚动、翻滚等协同运动以越过障碍。到达肿瘤部位后，NIR光照触发热疗，并伴随热致变色信号提供实时位置反馈。图2c针对胃部强酸环境，展示了以SiO₂微球为模板，利用原子层沉积（ALD）技术涂覆抗酸Al₂O₃保护层的策略。结合内层的镍（Ni）磁性层和表面的脲酶修饰，该机器人既能抵抗胃酸腐蚀，又能分解尿素产生气泡推进，是无机材料应对极端生理环境的典范。图2d解析了如何通过微观结构调控提升性能，其通过在TiO₂纳米管中引入氧空位（TiO₂-HNT）或负载单原子铂（TiO₂-SA-NT），显著增加了光催化反应活性位点，使其在紫外光下的自推进效率大幅提升，适用于环境水体修复。

图2. 无机材料用作纳米机器人部件

与无机材料相比，有机材料提供了更佳的生物相容性和“刺激-响应”变形能力，适合生物体内应用。图3a展示了利用乳液法制备聚乳酸和聚乙二醇酸的共聚物（PLGA）微支架的工艺。该支架不仅可负载磁性粒子实现导向，还能作为干细胞（MSCs）的载体。关键在于PLGA在完成软骨修复任务后可完全降解为无毒产物，避免了二次手术取出的风险。图3b展示了PNIPAM水凝胶的热响应特性。利用其低临界溶解温度（LCST）特性，受热时疏水收缩，冷却时亲水膨胀。这种类似“呼吸”的体积变化可被编程用于按需药物释放。图3c 展示了DNA作为一种“可编程材料”的潜力。通过三条单链DNA的精确碱基互补配对，先形成三路连接体（Three-way junction），再自组装成微米级空心球，体现了生物大分子在构建精确几何结构上的独特优势。图3d描述了一种壳聚糖包裹Fe₃O₄的磁性机器人。利用壳聚糖的pH敏感性，在中性环境中保护内部杀虫剂，一旦进入昆虫中肠的酸性环境（pH < 6.0）即发生降解释放。这种设计实现了药物在特定器官的定点投放。

图3. 有机材料用作纳米机器人部件

为了进一步提升负载能力和功能集成度，具有高比表面积的框架材料（MOF/COF）及高导电碳材料成为了新宠。图4a-c展示了MOF的多功能集成思路：ZIF-67利用肿瘤微环境过氧化氢产生动力并靶向线粒体；Bowl状PDA@UiO-66结合光热与化疗；利用GelMA底盘结合Fe@ZIF-8实现磁驱与pH响应释放。这些案例突出了MOF材料“高孔隙率载药+金属节点催化”的双重优势。图4d-e展示了 COF的光电与诊疗：UCNP-COF核壳结构利用上转换发光进行成像；TpAzo-COF利用共轭骨架的光电特性实现光驱动游动。COF的有序孔道结构为分子筛分和精细化学提供了可能。图4f展示了一种由Pt阳极和CNT阴极组成的纳米机器人。它模拟了燃料电池原理，在葡萄糖溶液中通过氧化还原反应产生自建电场，驱动自身运动，证明了碳材料在能量转换中的关键作用。

图4. 框架材料用作纳米机器人部件

3. 纳米机器人工程化：设计原则与先进技术

确定好材料之后，要让这些材料完成复杂任务（如逆流而上、精准辨识），必须依靠严谨的设计逻辑和先进的制造与检测技术。以下图5和图6展示了纳米机器人工程化的过程。首先是设计逻辑——从概念到功能的七大原则，如图5，它是对纳米机器人工程化思想的集中体现。功能与目标导向：图5a（胃部机器人）强调了设计必须服务于特定环境——抗酸涂层是为了胃部生存，生物降解是为了体内安全。仿生与形态优化：图5b的“纳米鱼”展示了通过模仿鱼类摆动来提高推进效率。生物相容性与生物降解性，图5c（生物降解机器人）展示了在医疗应用中生物相容的重要性。环境适应性：图5d的磁性微群展示了通过改变群体形态来适应狭窄通道，体现了形态对运动性能的决定性影响。能源效率和管理：能源效率对于纳米机器人的稳定工作具有重要影响。控制与导航：图5e展示了通过磁场引导机器人沿预定红线轨迹运动。模块化与可扩展性：图5f提出了“通用底盘+功能模块”的概念，使得同一平台可通过更换模块适应不同任务，提升了设计的可扩展性。

图5. 纳米机器人的设计逻辑

纳米机器人的设计遵循一套精密且多学科交叉的系统化流程：首先需明确需求与功能定义，结合具体的医疗或环境应用场景制定性能标准与监管要求；进而依据物理化学特性及环境兼容性完成材料选择与结构优化；随后利用多尺度计算模型进行详细设计与模拟，预测纳米机器人与环境的微观交互并微调设计参数；在此基础上开展原型开发，采用光刻、3D打印或自组装等技术进行迭代制造与初步验证；最后进行系统集成与功能测试，在模拟体液或真实生物/环境条件下严格验证其药物递送、传感或修复等核心性能，确保设计的有效性与稳定性。

除了传统的技术，先进的创新技术给纳米机器人领域赋能，本节展示了辅助技术如何推动纳米机器人的制造精度和功能验证。图6a展示了纸基电化学辅助传感器（EA-Sensor）。利用铂纳米机器人催化H₂O₂产生气泡，将微观的病原体（大肠杆菌）结合信号转化为肉眼可见的气泡信号，实现了低成本的快速检测。图6b展示了利用TEM结合光谱技术，解析了AuNRs-硅纳米蝌蚪的不对称结构与热泳运动的关联，说明了表征技术对机理解析的重要性。图6c展示了双光子聚合（TPP）技术制造的复杂微结构（如悬臂、格栅）。这种技术将制造精度提升至100 nm级别，使得设计复杂的微型机械结构成为现实。

图6. 在纳米机器人创制过程中应用的创新技术

4. 深度可视化：原子级反馈与机理揭示

传统表征手段难以解析微观局部缺陷，易导致机理误判。可视化技术能提供原子级结构与动态反馈，从而精准验证设计、揭示构效关系，是优化性能并连接设计与应用的关键纽带。这就引出了本综述的核心观点：先进的结构可视化表征是优化的关键。以下图7至图9展示了从常规TEM到冷冻电镜再到SPM的深度解析。

常规TEM表征可以简单解析普通晶体结构与宏观动态。常规TEM主要用于确认材料的“硬”指标（结晶度、成分）和观察耐受样品的原位行为。图7a和7b的高分辨TEM图像清晰展示了Fe₃O₄与碳纳米管结合处的晶格条纹，以及ROS机器人核壳结构的晶面差异，为材料合成的成功提供了直接的晶体学证据。图7c和7d结合STEM-EDX技术，清晰呈现了螺旋机器人中Si骨架与Fe磁性粒子的空间分布，证明了磁性组分的均匀性。进一步可实现原位动态演变，例如，图7e捕捉了普鲁士蓝壳层随反应时间增厚的动态过程；图7f记录了磁性机器人群在磁场开关下的“聚集-分散”可逆行为。这些图像直接验证了机器人的生长机理和磁控性能。

图7. 常规TEM对于纳米机器人的可视化表征

低剂量TEM与冷冻电镜（Cryo-EM）是本综述可视化表征核心的部分，低剂量技术和冷冻技术的发展解决了电子束敏感材料（MOF/COF）和生物混合材料“一照就坏”的难题。

纳米机器人驱动力之一的催化活性往往源于缺陷。图8a显示Ca-MOF的晶格条纹，粒径范围从20到100 nm，促进了miR-124穿过NSC膜的传递。图8b-e介绍了利用低剂量HRTEM，成功在UiO-66完美晶格中捕捉到了原子级的“缺失团簇”和“缺失配体”缺陷。这在常规强电子束下是无法看到的，为解释催化机理提供了决定性证据。解析分子筛分网格（COF）：图8f-g清晰成像了TPE-COF和kgd拓扑COF的孔道结构，直接验证了其作为分子筛或药物载体的结构基础。还原生物本征态（Cryo-ET）：图8h-i利用冷冻电子断层扫描，在液氮环境下重构了负载金纳米粒子的聚合物囊泡的三维结构。这揭示了金粒子在表面的非对称分布，解释了驱动力产生的原因。图8j-k展示了在低温下利用EELS绘制MOF材料的化学基团分布图，提供了比形貌更深层的化学成分信息。

图8. 低剂量/冷冻TEM对于纳米机器人的可视化表征

扫描探针显微镜（SPM）提供了表面形貌、机械性能和电子态的精细信息。早期的研究使用AFM对单链DNA进行成像（图9a），并取得了优异的结果；图9b利用AFM捕捉了DNA纳米机器人从“关闭”到“开启”的构象变化，直观验证了其识别凝血酶后释放药物的机械响应机制，这是TEM难以捕捉的三维表面变化。图9c利用AFM清晰分辨了DNA折纸构建的“转子”、“铰链”等微型机械部件的形貌，验证了组装精度。图9d利用STM观测到了超分子网格中“开心果”状的金属节点连接；图9e解析了银团簇表面配体单层的排列。这些原子级信息对于理解纳米机器人的表面反应活性位点至关重要。

图9. SPM对于纳米机器人的表征

总结与展望

本综述系统性地构建了纳米机器人从“材料选择”到“工程设计”再到“性能验证”的完整研发架构。文章首先梳理了多元化的材料基石，指出无机纳米材料提供了必要的物理化学稳定性，有机聚合物赋予了优异的生物相容性，而先进的MOFs/COFs框架材料则凭借其可调孔隙率实现了高效的药物装载与催化驱动。在此基础上，综述确立了以功能导向、环境适应性及模块化为核心的设计逻辑，为纳米机器人的工程化提供了理论指南。文章最具创新性的贡献在于深刻阐述了结构可视化在连接设计与应用中的枢纽地位。通过引入TEM、SPM及其衍生技术，研究人员终于能够克服传统手段的局限，在原子尺度上“无损”地解析电子束敏感材料（如MOF微观缺陷）及生物混合结构的本征状态。这种高分辨率的表征反馈机制，使得从微观机理（如缺陷催化、构象变化）反哺宏观设计成为可能。展望未来，纳米机器人要实现从实验室走向临床医疗与环境治理的跨越，仍需攻克长期生物安全性、免疫惰性以及复杂流体环境下的精准自主导航等关键挑战。未来的突破将高度依赖于材料科学、人工智能（AI）与原位电子显微学的深度交叉融合。利用AI辅助解析海量成像数据，结合原位技术在真实工况下对动态行为的实时捕捉，将极大加速下一代更加智能、精准且可靠的纳米机器人系统的诞生。

原文信息

L. Xia, Y. Liu, L. Wang, X. Yao*, The Architecture of Nanorobots: From Advanced Materials to Structural Visualization. Small 2025, 2509588. DOI: 10.1002/smll.202509588