魏天琪，鄭雄勝

（浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316022）

0 引言

3D打印技術(shù)（3D Printing Technology）是一種通過(guò)連續(xù)地疊加物理層，逐層增加材料的方法來(lái)將計(jì)算機(jī)輔助和設(shè)計(jì)的虛擬3D模型轉(zhuǎn)化為3D有形物理結(jié)構(gòu)的技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)去除材料的加工技術(shù)不同，因此也稱其為添材制造技術(shù)。隨著制造領(lǐng)域和包裝領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能滿足新產(chǎn)品的快速發(fā)展需求，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使得制造和包裝領(lǐng)域從傳統(tǒng)手工方法到智能制造與包裝的巨大轉(zhuǎn)變。由于3D打印具有較高的重現(xiàn)度、自動(dòng)化程度、更大的靈活性，在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)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(shù)在食品加工工業(yè)[2]、生物醫(yī)療行業(yè)[3]、航天工業(yè)[4]、汽車(chē)工業(yè)[5]及建筑工業(yè)[6]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

微型機(jī)器人是一種最大尺寸為微米級(jí)別的人造機(jī)器，是一個(gè)在眾多領(lǐng)域備受關(guān)注的新興研究。3D打印微型機(jī)器人技術(shù)能夠集成微型機(jī)器人技術(shù)和3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在近些年迅速地推進(jìn)新興的人工智能制造微機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域的研究發(fā)展[7-10]。以往關(guān)于機(jī)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(jī)器人的3D打印綜述還比較少，因此本文仔細(xì)地整理研究出3D打印技術(shù)的種類(lèi)，在此基礎(chǔ)上討論了微型機(jī)器人的3D打印材料，并探討了3D打印智能制造微型機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 3D打印技術(shù)的種類(lèi)

根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)F2792[14]，按特定的應(yīng)用場(chǎng)景將3D打印技術(shù)化分為7類(lèi)，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(guò)噴射黏合劑使粉末成型的增材制造技術(shù)。可用于高分子材料、金屬、陶瓷材料的制造，將黏合劑去除并實(shí)現(xiàn)粉末顆粒之間的融合與連接，從而得到有一定密度與強(qiáng)度的成品。

2）定向能量沉積。定向能量沉積是一種復(fù)雜的印刷工藝，通常用于修復(fù)現(xiàn)有部件或向其添加額外材料。定向能量沉積對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)有高度的控制，能產(chǎn)生高質(zhì)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(guò)程中被連續(xù)改變。因此，它能夠制造出傳統(tǒng)方法無(wú)法完成的特殊物體。

3）材料擠壓?？捎糜诖蛴∷芰稀⑹称坊蚧罴?xì)胞的多種材料和多色打印。該工藝已得到廣泛應(yīng)用，成本非常低。此外，這個(gè)過(guò)程可以構(gòu)建產(chǎn)品的全功能部分。例如，熔融沉積成型（FDM）可以通過(guò)加熱和擠壓熱塑性長(zhǎng)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(duì)較新的最快、最精確的3D打印技術(shù)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?yàn)楣饩酆衔飿?shù)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(jié)和選擇性熱燒結(jié)技術(shù)。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(gè)過(guò)程中使用的材料有金屬、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料和混合材料?；诜勰┐踩刍倪x擇性激光燒結(jié)技術(shù)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(yōu)點(diǎn)是片材層壓可以做全色印刷，它相對(duì)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(shí)間制造復(fù)雜的幾何零件。

7）還原光聚合。還原光聚合通常指的是通過(guò)使用激光、光或者紫外線固化光反應(yīng)性聚合物。使用光聚合的3D打印技術(shù)有光固化立體成型技術(shù)（SLA）和數(shù)字光處理（DLP）等。光聚合適用于制造具有良好細(xì)節(jié)和高表面質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

現(xiàn)如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)不再僅僅局限于原型的制造，而是越來(lái)越多地用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，尤其是在智能制造領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)占有越來(lái)越重要的地位。

2 微型機(jī)器人的3D打印材料

由于3D打印技術(shù)很難使精度達(dá)到微米級(jí)別，阻礙了微機(jī)械、微光學(xué)、微電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)材料打印等領(lǐng)域的普遍應(yīng)用。而三維激光打印的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)光學(xué)的特性，對(duì)高精度和空間分辨率需求的3D打印技術(shù)產(chǎn)生了創(chuàng)新性的影響。因此，本文主要針對(duì)基于激光的3D打印材料進(jìn)行詳細(xì)研究，其中包括SU-8光刻膠、IP系列光刻膠和光交聯(lián)水凝膠等。

2.1 SU-8光刻膠

SU-8光刻膠是一種負(fù)環(huán)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(jī)器人。SU-8的名字來(lái)源于“SU”，表示為“由UV構(gòu)成”，而“8”表示平均有8個(gè)環(huán)氧基[15]，如圖1所示。SU-8光刻膠具有高光學(xué)透明性、低成本及加工時(shí)間短、制造方便等優(yōu)點(diǎn)，是一種廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)微機(jī)器人的結(jié)構(gòu)材料。例如基于SU-8光刻膠，Vizsnyiczai等[16]研究了一種細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的光控3D微電動(dòng)機(jī)，用于有針對(duì)性的藥物輸送。Li等[17]開(kāi)發(fā)出一種帶鋸齒狀尾翼推進(jìn)接口的微型游泳機(jī)器人，可以快速地對(duì)大型貨物進(jìn)行定向運(yùn)輸。李杰等[18]介紹了一種采用毛刺狀的多孔球形結(jié)構(gòu)的磁性微型機(jī)器人，可以在體內(nèi)有針對(duì)性地?cái)y帶和運(yùn)送靶細(xì)胞。Das等[19]設(shè)計(jì)了一個(gè)微型機(jī)器人平臺(tái)，可以將生物細(xì)胞間的信號(hào)分子按需傳遞，并且能夠?qū)蜻M(jìn)行調(diào)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(fù)合材料還可以在單細(xì)胞中按需定向給藥等[20-21]。

圖1 SU-8中的環(huán)氧基團(tuán)是在紫外光（UV）照射下的聚合反應(yīng)[15]

2.2 IP系列光刻膠

IP系列光刻膠是一種標(biāo)準(zhǔn)的光聚合材料，具有高形狀精度、高分辨率、易于操作等優(yōu)異性能，已被廣泛應(yīng)用于制作功能性微光學(xué)器件和生物醫(yī)學(xué)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(jī)器人設(shè)備擁有很多潛在的應(yīng)用，例如Wang等[23]設(shè)計(jì)了一種磁性螺旋微型機(jī)器人，可以用于單細(xì)胞的定位及貨物運(yùn)輸?shù)目刂?。Ren等[24]介紹了一種基于聲學(xué)氣泡的微游泳器，能夠自由地在3D范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并且能夠選擇性地運(yùn)輸單粒子。Yasa等[25]在考慮優(yōu)化運(yùn)動(dòng)性能和免疫性能的結(jié)構(gòu)的情況下，開(kāi)發(fā)了一種用于靶向免疫治療和免疫調(diào)節(jié)的磁微游泳器。Xu[26]提出了一種結(jié)合磁驅(qū)動(dòng)微電動(dòng)機(jī)與合成蛋白質(zhì)的透明質(zhì)酸微片的集成系統(tǒng)，用于精細(xì)胞的定向捕獲、運(yùn)輸和釋放。此外，Adam[27]闡述了微型機(jī)器人應(yīng)用的輔助技術(shù)，介紹了先進(jìn)的微機(jī)器人技術(shù)的跟蹤成像功能。

圖2 IP系列光刻膠類(lèi)別

2.3 光交聯(lián)水凝膠

光交聯(lián)水凝膠是一種能夠通過(guò)暴露在光中以時(shí)空方式操作的具有高水化度和交聯(lián)能力的一種材料，常用于實(shí)現(xiàn)各種生物醫(yī)療應(yīng)用所需的功能。例如文獻(xiàn)[28]，它們可以模仿細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)細(xì)胞的功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。在文獻(xiàn)[29]中，它們能夠通過(guò)調(diào)整物理、化學(xué)及生物的特性來(lái)達(dá)到預(yù)期的目的。此外，光交聯(lián)水凝膠在廢水污染物（包括重金屬、營(yíng)養(yǎng)素及有毒染料等）的去除上也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[30]。光交聯(lián)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(zhì)酸(MEHA)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)。其中GelMA水凝膠已經(jīng)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)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(yīng)用[32]；而PEGDA水凝膠也已經(jīng)成功應(yīng)用于軟骨組織工程[33]，用來(lái)對(duì)軟骨關(guān)節(jié)的動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行模擬。

3 3D打印微型機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

3.1 生物醫(yī)學(xué)微型機(jī)器人

醫(yī)工交叉是一個(gè)新興的跨學(xué)科研究領(lǐng)域，通過(guò)結(jié)合3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以以更小的結(jié)構(gòu)及更復(fù)雜的功能智能制造出生物醫(yī)療微型機(jī)器人，使其能夠在復(fù)雜的人類(lèi)生理環(huán)境中完成特定的任務(wù)。因此3D打印微型機(jī)器人在生物醫(yī)療領(lǐng)域能夠更好地服務(wù)于人類(lèi)，具有巨大的研究?jī)r(jià)值。

在生物醫(yī)學(xué)的治療方面上，Bozuyuk等[34]提出了一種磁驅(qū)動(dòng)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(dòng)地釋放化療藥物。首先，采用3D打印技術(shù)制備出殼聚糖磁性聚合物的納米復(fù)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(shè)置。該方法結(jié)合了光觸發(fā)給藥與磁動(dòng)力微游泳器遷移率，滿足了醫(yī)療任務(wù)的高精度和高效率，這使得微系統(tǒng)有望應(yīng)對(duì)與治療各種疾病的藥物的主動(dòng)和控制傳遞相關(guān)的挑戰(zhàn)。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(jī)器人平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出2個(gè)用于校準(zhǔn)光纖上的浮動(dòng)電子電路的2 mm×3 mm×200 μm的微型機(jī)器人。該微型機(jī)器人的位置和方向可以通過(guò)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(chǎng)與微型機(jī)器人中記錄的不同優(yōu)先磁化方向有關(guān)，從而使得2個(gè)微型機(jī)器人之間的距離可以精確控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，成功地驗(yàn)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(jī)器人。該微型機(jī)器人能夠利用雙重催化磁功能的氧化鐵納米粒子產(chǎn)生殺菌自由基和分解生物膜胞外多糖，并且可以通過(guò)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人組件去除碎塊化的生物膜，從而可以對(duì)生物膜感染實(shí)施持續(xù)治療，減輕醫(yī)療設(shè)備的各種表面生物污染。

在生物醫(yī)學(xué)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(jī)器人，能夠?qū)⒛繕?biāo)細(xì)胞通過(guò)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下攜帶并運(yùn)送到所需的體內(nèi)位置。首先用制造微型機(jī)器人的激光光刻3D打印技術(shù)為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了足夠的靈活性，接著選擇干細(xì)胞等不同類(lèi)型的細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)將細(xì)胞轉(zhuǎn)移到玻璃基底上，用以模擬釋放細(xì)胞的跨內(nèi)皮遷移，并且在裸鼠體內(nèi)釋放細(xì)胞，證明了所設(shè)計(jì)的微型機(jī)器人具有細(xì)胞釋放性能。該研究為基于細(xì)胞治療的再生醫(yī)學(xué)提供了一個(gè)微型設(shè)備平臺(tái)。Wang等[38]基于無(wú)細(xì)胞毒性和可生物降解的GelMA水凝膠，設(shè)計(jì)出一種能夠3D打印蛋白質(zhì)的微型機(jī)器人系統(tǒng)的通用方法。該方法可以打印出不同尺寸的微型結(jié)構(gòu)，與以往的剛性微型游泳器對(duì)比（剛性微型游泳器的前向速度隨著旋轉(zhuǎn)頻率的增加急劇下降），GelMA微型游泳器可以隨著旋轉(zhuǎn)頻率的增加保持相對(duì)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(yōu)良性能，使得其能夠成為生物醫(yī)學(xué)微型組織再生機(jī)器人及微型生物降解機(jī)器人的一個(gè)重要發(fā)展方向。

在生物醫(yī)學(xué)的細(xì)胞和藥物輸送或者釋放方面，Medina-Sánchez等[39]研發(fā)了一種新型的人工精細(xì)胞混合微型電動(dòng)機(jī)。該微型電動(dòng)機(jī)能夠運(yùn)送缺乏運(yùn)動(dòng)能力的精細(xì)胞，以此來(lái)幫助它們完成其自然功能。Ceylan等[40]設(shè)計(jì)了一種磁動(dòng)力控制的擁有雙螺旋結(jié)構(gòu)的3D微型游泳器，能夠用于藥物的輸送和釋放任務(wù)。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(huán)境中病理標(biāo)記的響應(yīng)性。Baker等[41]利用雙光子光刻技術(shù)對(duì)微型自推進(jìn)游泳器中的多行為反應(yīng)進(jìn)行納米級(jí)的3D打印，并通過(guò)形狀自治和多行為反應(yīng)進(jìn)行編碼。通過(guò)理論基礎(chǔ)加上實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證明了該游泳器的圓環(huán)體中的環(huán)面在磁場(chǎng)的作用下，可以不斷地在兩種主要的游動(dòng)模式間進(jìn)行切換，其中：在第一種模式下，微型自推進(jìn)游泳器會(huì)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(jìn)游泳器會(huì)定向垂直于基片。可以實(shí)現(xiàn)貨物的操縱與運(yùn)輸，如將細(xì)胞送到特定的地點(diǎn)進(jìn)行細(xì)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(zhì)，對(duì)智能細(xì)胞運(yùn)輸和治療的發(fā)展留下了深遠(yuǎn)的影響。Bernasconi等[42]通過(guò)對(duì)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(shù)的結(jié)合，成功地打印出一種圓柱形支架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是一種在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中能夠完成靶細(xì)胞遞送任務(wù)的功能型微型器件，例如通過(guò)施加適當(dāng)?shù)亩ㄏ蛐D(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)速度與位置的控制，使其成為人體靶向細(xì)胞傳送的潛在工具。Xu等[43]提出一種能夠主動(dòng)逆著流動(dòng)的血液游動(dòng)，并且具有肝素貨物輸送性能的混合精細(xì)胞微型電動(dòng)機(jī)。在該系統(tǒng)里，混合精細(xì)胞微型電動(dòng)機(jī)可以進(jìn)行磁性引導(dǎo)和貨物輸送。此外，單個(gè)精細(xì)胞微電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)磁化后可以組裝成將多個(gè)精子或者醫(yī)療藥物輸送的一種載體，用于血液凝塊及循環(huán)系統(tǒng)中其他疾病的治療。Wang等[44]基于可動(dòng)金屬-有機(jī)框架(MOFs)成功地開(kāi)發(fā)出具有螺旋運(yùn)動(dòng)且伴隨著生物的相容性和pH響應(yīng)特性的一種微游泳器。該游泳器能夠沿預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡在弱旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的控制下進(jìn)行一系列的游動(dòng)，并且可以由螺旋結(jié)構(gòu)的表面厚度與致密性通過(guò)合成條件（包括反應(yīng)物濃度及反應(yīng)時(shí)間）的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明這些游泳器能夠在細(xì)胞培養(yǎng)基中實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞靶向，可以在復(fù)雜的微流體通道內(nèi)跟蹤復(fù)雜的軌跡，并且有選擇性地?cái)y帶和釋放藥物，是一種制造集成多功能系統(tǒng)的新方法。

在生物醫(yī)學(xué)的跟蹤、成像及微創(chuàng)顯微手術(shù)方面，Servant等[45]首次對(duì)一群磁性螺旋微游泳器采用小于10 mT的外部磁場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究體內(nèi)的成像及驅(qū)動(dòng)。這是生物醫(yī)療中跟蹤和成像的重要里程碑，在合成生物學(xué)、輔助受精及藥物或基因傳遞中有著廣泛的應(yīng)用。De等[46]提出了一種克服3D機(jī)器人受到傳統(tǒng)3D打印技術(shù)材料限制的間接3D打印方法。該方法將直接激光寫(xiě)入產(chǎn)生的高分辨率微模型注入到聚合物中，通過(guò)溶解得到最終的3D打印微型結(jié)構(gòu)，用于直接打印3D和4D微型機(jī)器人。此外，該方法具有制造和驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)。該方法能夠制造出用于微創(chuàng)手術(shù)的微型機(jī)器人和手術(shù)工具，在未來(lái)的生物醫(yī)療設(shè)備中，為制造出3D和4D打印的微型機(jī)器人打下了基礎(chǔ)，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

3.2 可編程自組裝微型機(jī)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(guò)引入可編程自組裝技術(shù)可以將異構(gòu)部件集成到具有特定結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和功能性的3D微型機(jī)器人中。在2017年，Vizsnyiczai等[48]利用直接激光3D打印技術(shù)制造出一些具有亞微米特征的復(fù)合微結(jié)構(gòu)，這些復(fù)合微結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)和排列單個(gè)細(xì)胞形成有序的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)3D微型結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)。Alapan等[49]提出了一種通過(guò)預(yù)先編程的結(jié)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)單元之間的物理相互作用，并且具有所需配置的動(dòng)態(tài)自組裝移動(dòng)微型機(jī)器人。該機(jī)器人組件是對(duì)單個(gè)零件的三維形狀編碼，通過(guò)介電相互作用驅(qū)動(dòng)的。與傳統(tǒng)單片微型機(jī)器人不同，由磁性和自走式電動(dòng)機(jī)部件組裝而成的微型機(jī)器人可以表現(xiàn)出可重構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模式和附加的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。試驗(yàn)結(jié)果表明，形狀編碼的裝配路徑能夠?qū)崿F(xiàn)可編程和可重構(gòu)的移動(dòng)微型機(jī)器人。該方法為多功能型微型機(jī)器人的制造提供了一種有效的解決方案，在微型機(jī)器人學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

3.3 其他功能型微型機(jī)器人

2019年，Skylar-Scott等[50]提出一種能夠產(chǎn)生與體素有關(guān)的多材料、多噴嘴3D（MM3D）打印技術(shù)。該方法首先利用壓力驅(qū)動(dòng)的屈服應(yīng)力流體的流動(dòng)特性，在多種材料之間進(jìn)行高頻無(wú)縫切換，從而實(shí)現(xiàn)使非均勻體化體素的連續(xù)打印成為可能，接著設(shè)計(jì)出一種能夠快速打印具有空間編程、結(jié)構(gòu)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(gè)實(shí)施例（即可折疊的折紙圖案和可移動(dòng)的微型機(jī)器人）突出MM3D的功能，并且可以通過(guò)MM3D打印對(duì)各種性能的結(jié)構(gòu)、生物材料進(jìn)行圖案化。2021年，Tyagi等[51]設(shè)計(jì)了一種微型機(jī)器人的3D打印技術(shù)，目的是為了在微米級(jí)中制造出更小尺寸的結(jié)構(gòu)。首先使用定制的擠壓式3D打印機(jī)，將微執(zhí)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(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型出發(fā)，采用結(jié)合打印體和電活性聚合物的微致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，然后制作并操作了長(zhǎng)度從1000～5000 μm不等的微執(zhí)行器，從而證明3D打印過(guò)程的簡(jiǎn)便性和通用性，最后用3D打印技術(shù)打印出由剛體和單獨(dú)控制的自由移動(dòng)的手臂或腿組成的微型機(jī)器人裝置，用來(lái)探索微型夾持器、微型機(jī)械手及微型機(jī)器人的3D打印技術(shù)。該方法為使用3D打印微型夾持器、微型機(jī)械手和微型機(jī)器人的局限性提供了一定的見(jiàn)解。

此外，Bernasconi等[52]將立體光刻3D打印技術(shù)與濕法金屬保護(hù)技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種用于水清洗的環(huán)境微型機(jī)器人。該微型機(jī)器人通過(guò)使用化學(xué)沉積和電解沉積將不同的金屬層沉積在3D打印部件上來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jié)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(fù)合納米涂層，最后添加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，成功地實(shí)現(xiàn)了環(huán)境微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)。從凈水效果看，該微型機(jī)器人在水污染處理上具有顯著的光催化活性，并且對(duì)革蘭氏陰性菌具有顯著的抗菌活性。該方法對(duì)未來(lái)的人類(lèi)生存環(huán)境具有意義非凡的研究?jī)r(jià)值。

4 3D打印微型機(jī)器人的研究展望

4.1 生物醫(yī)學(xué)微型機(jī)器人的展望

目前對(duì)于生物醫(yī)學(xué)微型機(jī)器人的研究大多數(shù)還停滯在臨床前試驗(yàn)，包括體外試驗(yàn)和動(dòng)物體內(nèi)試驗(yàn)。對(duì)于人類(lèi)體內(nèi)的醫(yī)學(xué)問(wèn)題，需要考慮多種因素，其中最重要的是生物醫(yī)學(xué)微型機(jī)器人生物可降解性，這就要求3D打印的微型機(jī)器人在處理特定的醫(yī)學(xué)任務(wù)后，能夠在人體內(nèi)完全降解，降解的產(chǎn)物對(duì)人體無(wú)害。此外，還需要考慮微型機(jī)器人的形狀大小、組成材料、驅(qū)動(dòng)方式、控制原理、生物成像及在人體內(nèi)的部署、體外操作醫(yī)生等之間的相互作用。醫(yī)學(xué)微型機(jī)器人的最終目標(biāo)是人類(lèi)體內(nèi)應(yīng)用，在未來(lái)的研究中，應(yīng)當(dāng)深入了解和研究醫(yī)學(xué)微型機(jī)器人與上述因素之間的相互作用，可以結(jié)合人工智能技術(shù)來(lái)優(yōu)化微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)，為3D打印醫(yī)學(xué)微型機(jī)器人在人體內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路。例如在2017年，Colabrese等[53]闡述了強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法在復(fù)雜流場(chǎng)中模擬自適應(yīng)行為的潛力，解決了智能微游泳器導(dǎo)航的難題。2020年，Soto等[54]提出了一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法快速地對(duì)微型機(jī)器人的閉環(huán)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估的理念，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出具有適應(yīng)環(huán)境變化和復(fù)雜目標(biāo)任務(wù)的新型智能微型機(jī)器人。

4.2 可編程自組裝微型機(jī)器人的展望

可編程自組裝技術(shù)可以將信息從單個(gè)部件轉(zhuǎn)換為集體整體，使其能夠產(chǎn)生復(fù)雜的微米或納米顆粒來(lái)處理運(yùn)動(dòng)、能量和信息，已經(jīng)廣泛引起了研究人員的關(guān)注[55-56]。雖然研究人員在設(shè)計(jì)3D打印制造微型機(jī)器人的過(guò)程中，能夠根據(jù)其靈活性很容易地改變微型機(jī)器人的大小和形狀等，但也存在著一些與自組裝相關(guān)的問(wèn)題，比如殘缺、層次結(jié)構(gòu)、相位分離及密度等，造成了不能夠?qū)悩?gòu)部件集成到具有特定結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和功能性的3D微型機(jī)器人中。展望未來(lái)，我們需要努力挖掘出可編碼自組裝在動(dòng)態(tài)、可編碼及可重構(gòu)性與位置選擇性等方面開(kāi)發(fā)3D微型機(jī)器的潛力，并將模塊化微型機(jī)器集成到分級(jí)3D多尺度系統(tǒng)中去，創(chuàng)造出更復(fù)雜的3D微型機(jī)器人。

4.3 其他功能型微型機(jī)器人的展望

對(duì)于每一種功能型微型機(jī)器人來(lái)說(shuō)，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，將這些大數(shù)據(jù)收集起來(lái)，采用數(shù)據(jù)分析法能夠?qū)崟r(shí)更新數(shù)據(jù)，從而找到一種更好方式去完成任務(wù)。例如，可以借助數(shù)據(jù)分析及時(shí)調(diào)整環(huán)境微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)參數(shù)，讓微型機(jī)器人能夠及時(shí)地去適應(yīng)局部環(huán)境，從而更好地完成凈水任務(wù)[52]。

5 結(jié)語(yǔ)

3D打印微型機(jī)器人技術(shù)能夠集成3D打印技術(shù)和微型機(jī)器人技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在近些年迅速地推進(jìn)新興的人工智能制造微機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域的研究發(fā)展。本文詳細(xì)地綜述了3D打印微型機(jī)器人技術(shù)。首先按特定的應(yīng)用場(chǎng)景整理研究出3D打印技術(shù)的種類(lèi)；接著介紹了微型機(jī)器人的3D打印材料，并對(duì)基于激光的3D打印材料進(jìn)行詳細(xì)研究；然后詳細(xì)地闡述了國(guó)內(nèi)外3D打印微型機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀；最后討論了3D打印微型機(jī)器人的研究展望，并對(duì)未來(lái)的研究方向給出了自己的見(jiàn)解。希望可以在3D打印微型機(jī)器人研究方面提供深入的了解和認(rèn)知，促進(jìn)智能制造微機(jī)械等行業(yè)的應(yīng)用與研究。