北京时间1月4日，中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所徐海峰团队在《自然—纳米技术》期刊上发布最新研究成果，揭示了一项突破性发现：第壹次制造出迄今最灵敏的人造弹簧系统，探测灵敏度达到500飞牛，这相当于单个细胞重力的千分之一。
把弹簧结构运用到微观世界中，开发出具备弹性结构的微纳器件，是科学家们长久以来的一大构想。该研究运用了弹性模量维度4D纳米弹性体光刻策略，成功制备出超灵敏的微米弹簧系统。这项技术突破将有望应用于 精准医疗 领域，为显微外科手术和靶向药物输送提供新方法。
中国力学学会副理事长、清华大学生物力学与医学工程研究所冯西桥教授评价道：“该项工作启发了探索生理、病理条件下分子、细胞和组织的力化生耦合动力学原理的新途径。” 
4D纳米弹性体光刻策略制备各类软体微米 机器人 的示意图来源：研究团队供图
超灵敏人造弹簧，实现定制化加工
在微观世界中，一些细胞和微生物使用生物弹簧来执行力感知、捕食、驱动等动作。如果能借鉴微生物和细胞的超灵敏生物力学特性，研发出超灵敏的仿生弹性器件，将有助于进行更为精准的细胞力学表征，甚至实现细胞的自由操作，有望运用在 精准医疗 、药物递送、科学研究等领域。
研究团队构想了一种微米级别的弹性 机器人 用以探测更低的细胞力，并自主开发了超弹磁性 光刻胶 ，构建了弹性模量维度的4D纳米弹性体光刻策略，制备了迄今最灵敏的人造弹簧系统——皮牛弹簧。
“该系统具有纳米级的特征尺寸，它的力感知的灵敏度可以达到500飞牛，这相当于单个细胞重力的一千分之一，并且其形变精度超过1 微米每皮牛。”徐海峰说。
这一新型皮牛弹簧支持高度自由的4D光刻加工，可以被定制化加工成任意形状，同时完美兼容磁性光刻材料，可用于制备各类软体微米 机器人 和柔性微米器件，如用于丈量精液驱动力的微米测力计、用于细胞操作的微米镊子和进行自驱动的微米企鹅和微米海龟等机器。
在此前的研究中，徐海峰团队分别开发了基于弹簧触发的抗癌精液 机器人 和抗血栓的精液火车 机器人 ，相关研究成果发表在《美国化学学会纳米杂志》《德国应用化学》等顶级期刊，被《科学》《麻省理工学院技术评论》和美国国家广播电视等许多家期刊和媒体透露。然而，这些微米 机器人 的细胞力感知精度较差，且无法达成细胞的自由操作。
2017年，徐海峰开始探索超灵敏仿生弹性 机器人 ，并于2020年加入深圳先进院医工所，开展磁驱微米 机器人 的研究。 “有三四年的时间里，我们面临最大的困难便是实现弹性体光刻后， 机器人 稳定成型的问题。对此，研究团队不断积累研究经验，通过改进 光刻胶 组成和激光写入方式，解决了纳米级皮牛弹簧的稳定成型问题。”徐海峰回忆道。
通过研究团队构建的弹性模量维度的4D纳米弹性体光刻策略，研究团队开发了一系列细胞应用的软体微米 机器人 。其中，团队研发的微米测力计，实现了对皮牛级细胞力发生微米级的响应，在1皮牛作用力下可发生约1微米的形变。极高的灵敏度使之可以在如精液等细胞作用下发生较大变形，可以用于丈量包含精液在内的物理、化学和生物复合等各类微米 机器人 的泳动力。
而另一款微米夹持器则可以被磁场独立控制。该器件通过编程磁场模式，可以实现微米 机器人 翻滚、旋转、夹持、释放等多自由度运动的解耦控制，实现对特定目标物如活体细胞进行夹持和转运。该过程不影响任何如光、热、离子或pH等细胞外部环境变化，实现了细胞的无影响操作。
另外，在验证实验中，研究团队还研发出仿生软体微米 机器人 ，该 机器人 具有集成的弹簧组，通过弹簧对磁场能量的贮存和编程释放，实现了仅有磁场控制的20微米尺寸的微企鹅和微海龟的软体驱动。
记者了解到，基于一系列超灵敏软体微米 机器人 的成功探索，徐海峰团队目前正在开展新型 精准医疗 设备研发，并计划将其逐步应用于细胞生物学及临床研究，如超精度细胞力学自动化表征平台和无干扰细胞操作平台等。
“基于该研究，在未来，新型微创甚至无创软体微米 机器人 仪器将进一步为细胞力学研究、体内受精和小腔道内血栓清除和神经干预等医疗任务提供有效助力。”徐海峰表示。
该研究中，深圳先进院医工所徐海峰副研究员为论文的第壹作者及共同通讯作者，深圳先进院为论文第壹单位。深圳先进院医工所王磊研究员为该文章作者之一。
