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苏大杨湛教授联合福田敏男院士团队:从微纳机器人化操作到微纳操作机器人
作者：系统管理员
发布日期：2025-09-25
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文章导读 近日，苏州大学杨湛教授、天津大学史超阳教授及香港城市大学董立新教授和名古屋大学福田敏男Toshio Fukuda院士团队在SmartBot期刊上发表了题为From Nano Robotic Manipulation to Nano Manipulation Robot的综述文章，系统梳理了纳米操控技术的发展脉络与未来方向。 纳米操控技术的发展标志着人类在原子与分子层面实现物质精确控制的能力取得了持续突破。文章系统梳理了纳米操控技术的历史脉络与概念基础，从早期的原子理论萌芽，到费曼提出原子级精确控制的构想，逐步建立起现代纳米技术的理论框架。当前，纳米操控技术体系主要涵盖表征（成像与动态追踪）、构建（组装与制造）以及操控（自动化与闭环控制）三个相互关联的功能维度。文章重点分析了若干代表性技术的演进，包括光镊、原子力显微镜（AFM）以及在扫描电子显微镜（SEM）环境下实现的（半）自主纳米机器人系统。这些技术在突破光学衍射极限、抑制热力学噪声与克服量子随机性等基础物理限制方面发挥了关键作用。 纳米操控技术的核心目标是在原子与分子层面实现对物质的精确控制，其发展得益于多项关键表征与操控平台的推动。扫描隧道显微镜（STM）首次实现了原子的可视化与可控操纵；原子力显微镜（AFM）凭借其在成像、谱学与操控方面的多功能性，广泛应用于生物与材料科学领域；而光镊技术则在溶液环境中展现出非接触操控生物分子的独特优势。在这些技术所奠定的基础之上，扫描电子显微镜（SEM）环境因具备高真空兼容能力、优异的成像分辨率、大腔体空间和实时成像等特点，逐渐发展为集成高自由度纳米机器人的理想平台，为构建多自由度、闭环控制的自主纳米机器人系统提供了重要条件。操控策略的不断进步，特别是通过机器学习提升操控精度、发展随机模型预测控制算法以及探索生物杂化纳米机器人等途径，推动该领域从预设程序执行向具有环境适应性与自主决策能力的方向转变。然而，目前仍面临诸多挑战，包括表征与操控之间的互耦问题（即“观察者-构建者悖论”）、复杂环境中的随机性（如热涨落、布朗运动）以及规模化制造的实现难题。应对这些挑战需融合量子计量、神经形态计算等跨学科方法，并建立相应的伦理框架。通过桥接理论认识与实际应用，本综述旨在为纳米机器人系统在纳米医学、量子器件和原子制造等领域的应用突破提供技术路线参考。结合具身智能、分布式感知与边缘量子计算等前沿方向，纳米操控技术有望进一步拓展其科学与工程应用前景。（图1） 图1 微纳操作与微纳操作机器人 图文摘要 费曼在1959年所提出的原子级精确操控愿景，点燃了人类于纳米尺度构建“微小工厂”的梦想。历经半个多世纪的发展，纳米操作技术已逐步从被动观测工具，演进为能够主动构造物质的自主机器人系统。这一转变建立在多项平台技术的重大突破之上：扫描隧道显微镜（STM）开创了原子尺度操控的先河；原子力显微镜（AFM）拓展了在多功能操控与表征方面的能力；光镊则实现了溶液环境中的非接触精准操作。而扫描电子显微镜（SEM）凭借其独特的技术优势，已成为集成高分辨率成像与多自由度精密操作的关键平台，为构建闭环控制的自主纳米机器人系统奠定了坚实基础。（图2） 图2 不同观测维度下搭建的机器人操作系统 在观测维度上，深度学习引领的图像处理革命为纳米操作提供了核心的“视觉”能力。原子力显微镜（AFM）的力谱成像与扫描隧道显微镜（STM）的原子分辨率成像，为理解纳米世界奠定了坚实基础。在扫描电子显微镜（SEM）中，基于电子-固体相互作用的蒙特卡洛模拟方法，为SEM图像（SE/BSE）的生成提供了物理基础，是图像降噪与三维重建算法的重要基准。基于此提出的利用SEM二次电子图像灰度信息进行三维重建和测量的方法，直接服务于纳米操作的精确引导。（图3） 图3 基于机器人精确感知需求产生的视觉处理算法 在构造领域，一系列创新技术正在重塑纳米制造的范式。扫描隧道显微镜（STM）的原子操纵、原子力显微镜（AFM）的纳米刻蚀以及光镊组装技术，分别代表了该领域不同的实现路径。在扫描电子显微镜（SEM）环境中，所研制的高自由度（21-DOF）纳米操作机器人系统成为这一维度的硬件核心与集成代表。该系统深度融合了对跨尺度、多介质粘附机理的深入研究与高鲁棒性控制模型，并配备了集夹持、检测与释放功能于一体的智能末端执行器（如微夹钳），实现了对碳纳米管、微纳芯片及靶球等多种对象的精确操作，为复杂纳米结构的原位构建奠定了关键技术基础。（图4） 图4 构造维度下机器人制备微-纳观材料 随着操作维度迈入自主化时代，各类技术平台均展现出巨大的发展潜力。在SEM真空腔环境中运行的纳米机器人系统，凭借多项前沿关键方法的支持，表现出独特的综合优势：研究提出的基于高精度实时视觉反馈的多纳米机器人协同操作方法，通过构建环境-任务-系统之间的映射关系并自动选择协同策略，显著提高了操作的控制品质与执行速度。结合创新的复合驱动机制（粘滑+振动）与界面摩擦力主动调控技术，有效解决了跨尺度运动中步距、速度、保持力与稳定性之间的协调问题，为复杂三维装配与表征提供了可靠的运动控制保障。（图5） 图5 操作维度下不同控制算法应用在纳操作领域 总结与展望 纳米操作技术的发展，建立在STM、AFM、光镊等平台突破的基础之上，而扫描电子显微镜（SEM）平台内的集成化、高自由度自主操作系统代表了当前向主动构造物质范式转变的最前沿。本综述系统追溯了这一变革路径，强调了观察（成像与追踪）、构造（组装与制造）、操作（自动化与控制）三大支柱在多平台协同演进、特别是在SEM高集成环境下的深化发展。考虑复合驱动、界面主动调控、蒙特卡洛视觉模拟基准、基于实时视觉的协同控制策略等关键技术，有效提升了SEM内纳米机器人在克服热噪声、界面力干扰方面的能力，显著增强了执行如碳纳米管操控、微纳器件三维装配等复杂精密任务的性能。 然而，根本性挑战依然严峻：“观察者-构造者悖论”（量子退相干）、非理想环境中的实时亚纳米级控制、以及工业级规模化制造面临的环境随机性与界面力干扰。这些瓶颈要求量子计量学、神经形态计算与生物混合系统的跨学科融合。未来需通过“具身智能”框架，结合在SEM等平台上实现的分布式传感（如高精度实时视觉反馈）、边缘计算与自适应算法，构建兼具环境交互与自主决策能力的纳米机器人集群。 图6 在宏-微观维度下观测尺度与技术协同及操作维度的发展历程 全文链接：https://doi.org/10.1002/smb2.12021 To cite this article: Yang, Zhan, Shixin Liu, Linjun Li, et al. 2025. “From Nano Robotic Manipulation to Nano Manipulation Robot.” SmartBot: e12021. https://doi.org/10.1002/smb2.12021. 作者简介 福田敏男 Toshio Fukuda 名古屋大学教授，博士生导师，中国科学院外籍院士，电气与电子工程师协会（IEEE）2020年总主席，IEEE终身会士，日本工程院院士，获中国政府“友谊奖”、IEEE机器人与自动化领域“终身成就奖”、日本最高科技奖“紫绶褒章”等荣誉，主要从事微纳操作机器人及仿生机器人相关方向的研究。 杨湛 苏州大学教授，博士生导师，江苏省具身智能机器人技术重点实验室主任，IEEE高级会员，IEEE 纳米技术委员会管理委员。中国微米纳米技术学会微纳机器人分会秘书长。主要从事纳米操作与微纳机器人，在精密传感、微纳系统集成与控制等方面取得系列成果，相关成果获得2022年度中国智能制造十大进展报道。曾主持/参与完成包括国家科技部重点研发项目、国家自然基金仪器重大专项、国家自然科学重点项目、国家863 计划、等科研项目10余项。共发表论文100余篇，其中包括Science Advances，Nature communications，IEEE T-RO，IEEE T-Mech等行业顶级论文，授权专利5项。 史超阳 天津大学机械工程学院长聘教授/博导，北洋学者英才教授，国家海外高层次人才；日本名古屋大学博士，英国帝国理工与加拿大多伦多大学博士后。主要从经自然腔道微创手术机器人、显微外科手术与骨科手术机器人、微纳米机器人、智能传感技术等方向研究。发表一作/通讯高水平英文期刊论文70余篇，主持多项国家/省级项目，包括国家自然基金重点项目、国家自然基金面上项目与国际合作项目等。 董立新 香港城市大学终身教授，名古屋大学工学博士，曾任密歇根州立大学副教授（终身教授），瑞士联邦理工大学（ETH）资深研究员等；兼任IEEE纳米技术委员会（NTC）副主席，IEEE机器人及自动化学会（R&A）出版委员会（PAB）理事，IEEE T-NANO资深编辑，IEEE T-ASE、IEEE OJ-NANO、Cyborg & Bionic Systems (Science Partner J)等副编辑，NTC国际纳米能源、环境及安全技术委员会主席，RAS微纳机器人技术委员会共同主席等。获2011年度美国NSF CAREER Award，2008年度美国杰出专业和学术著作奖两项等等。是三维纳米机器人操作、纳米机器人点焊及纳米机器人智能末端执行器等的初创者之一，世界最小纳米直线伺服电机（2007年度IEEE TASE/固高最佳论文奖）及磁控微机器人“人工细菌鞭毛”（2009年度“最小医用微机器人”吉尼斯世界纪录）的主创者之一。 |
