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浙大张剑华研究员在Nature正刊及Science子刊连续发文：从“磁化可重编程”到“功能可调控”的生物混合机器人
作者：系统管理员
发布日期：2026-02-03
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背 景 磁驱动软体机器人因其柔顺性、安全性及远程操控优势，在微创医疗、精准递送与再生医学中有重要应用场景。然而，该领域在长期发展过程中始终受到两项根本性瓶颈的制约：其一，传统磁驱动软体机器人依赖制造阶段预设磁化分布，一旦磁化完成，其驱动模式与功能几乎不可更改，导致机器人在复杂、多变的生物环境中难以根据任务需求动态调整形态与行为。这一限制从根本上制约了软体机器人在真实医学场景中的适应性与功能复杂度。其二，在应用层面，现有软体机器人与细胞递送系统大多停留在“运输工具”角色。虽然能够将细胞或生物材料送达目标区域，但递送后细胞往往缺乏适宜的力学微环境支持，功能易衰减，难以实现高质量组织重建。 事实上，在天然生命系统中，细胞的生长、排列与功能成熟并非由化学信号单独决定，而是高度依赖其所处的动态力学刺激微环境。例如，骨骼肌组织通过反复的“收缩–舒张”训练不断重塑其结构与功能。如何在体内、在递送过程中同时实现软体机器人的可重构驱动与生命系统功能的主动调控，成为该交叉领域亟待突破的核心科学问题。 围绕这一问题，浙江大学机械工程学院张剑华研究员、德国马普所/科奇大学的美国工程院院士Metin Sitti教授系统提出并验证了一条原创技术路线：在原理层面实现磁化状态的实时原位重编程，在应用层面将原位力学刺激引入生物混合机器人体系，实现对细胞与组织功能状态的精准调控。相关工作连续发表于《Nature》与《Science Advances》，实现了了从驱动机理原理创新到生物医学应用的闭环。 文章亮点 原理突破：提出“实时原位磁化重编程”新技术，使磁化状态从静态材料属性转变为可编程状态变量，突破磁驱动软体机器人长期依赖预设磁化的核心限制。 驱动与生物功能深度融合：在磁驱动软体机器人基础上，引入原位力学刺激机制，使生物混合机器人在递送细胞的同时，主动调控细胞功能状态。 跨尺度系统验证：从2D cell-sheet、3D cell-laden 组织到动物组织模型，系统验证该技术体系在不同生物尺度下的有效性与稳定性。 精准递送与可持续力学刺激：构建磁驱动–成像引导系统，实现复杂组织环境中的精准递送，并在目标区域持续发挥力学刺激功能调控作用。 体系化创新：形成“磁化可重编程-软体机器人可重构-生物功能可调控”的原创技术链条，显著提升该领域的国际影响力。 1. 磁化可重编程软体机器人的原理突破 针对磁驱动软体机器人磁化状态不可更改的长期瓶颈，研究团队在 Nature 645.8080 (2025): 375-384 发表工作，首次提出实时原位磁化重编程（real-time in situ magnetization reprogramming）方法。该方法的核心思想并非依赖复杂、多自由度外磁场，而是通过在软体机器人内部引入可动态调控的磁单元载体结构，在运行过程中实时改变磁单元的相对空间位置，从而在不改变外部磁场条件、不重新制造机器人的情况下，实现磁化分布的原位、可逆重构。 这一原理突破带来了多方面的重要意义： 一、从根本上打破“磁化一经设定、不可更改”的传统假设，使磁驱动软体机器人首次具备运行中再编程能力； 二、在同一外磁场下实现多形态、多功能快速切换，显著降低系统复杂度； 三、构建了一种具有高度通用性的磁驱动重构框架，可适用于一维、二维及三维多种软体机器人结构。 该成果在原理层面重构了磁驱动软体机器人的控制模式，为复杂生物环境下的自适应操控与多任务执行奠定了底层方法学基础。 图1.提出实时原位磁重编程技术，实现软体机器人在匀强磁场中1D, 2D, 3D结构多模态变形 2. 生物混合微型机器人的结构设计与驱动实现 在磁控软体机器人基础上，研究团队进一步面向生物医学应用，设计并构建了生物混合机器人系统。该系统采用柔性弹性体作为主体结构，并嵌入可控磁性单元。在外加磁场作用下，软体机器人可发生稳定、可逆的周期性大幅度形变。通过精细的结构设计，机器人在保持良好力学顺应性的同时，能够在微尺度下输出可控的力学刺激。 特别地，研究团队引入穿孔结构设计，使微型机器人兼具两方面优势：一方面显著提高细胞黏附、组织长入与物质交换能力；另一方面在形变过程中形成均匀分布的局部力学刺激区域，为后续生物功能调控提供结构基础。 图2.生物混合机器人对不同细胞形态（2D，3D 和肌肉组织）的原位力学刺激 3. 原位力学刺激驱动的细胞功能增强 研究首次将原位力学刺激（in situ mechanostimulation）系统性地引入磁驱动生物混合机器人体系。在2D cell-sheet模型中，机器人在磁场驱动下产生稳定的“收缩–舒张”循环，对细胞施加持续、可控的动态力学刺激。实验结果表明，在不影响细胞存活率的前提下，原位力学刺激可显著促进细胞增殖，并诱导细胞骨架与细胞核呈现高度一致的取向排列。进一步的分子层面分析显示，多条与力学转导和成肌分化相关的关键信号通路被系统激活，表明该策略能够有效模拟体内生理力学环境，实现对细胞功能状态的主动调控。 图3. 2D cell-sheet生物混合机器人力学刺激对肌肉细胞取向与收缩功能的影响 4. 3D组织层级的结构重塑与功能提升 为验证该技术体系在更接近真实生理环境中的适用性，研究进一步将原位力学刺激策略拓展至3D cell-laden水凝胶和动物肌肉组织模型种。在3D环境中，生物混合机器人仍可在磁场驱动下稳定执行周期性形变，对组织施加持续的力学刺激。实验结果显示，组织内部细胞排列由无序逐步转向有序，组织结构逐渐致密并趋于成熟，肌肉相关功能标志物表达显著增强。该结果表明，该技术不仅在细胞层级有效，而且具备跨尺度重构生物力学微环境、推动组织功能成熟的能力。 图 4. 3D cell-laden水凝胶软体机器人驱动力学刺激对肌肉组织形成的影响 5. 精准递送与离体大型动物组织模型验证 在应用验证层面，研究团队构建了磁驱动–成像引导一体化系统，并在离体猪肝模型中开展系统实验。结果表明，生物混合机器人可在复杂、狭窄的组织通道中实现稳定运动与精准递送；在递送过程中，细胞与三维组织结构保持良好完整性。到达目标区域后，系统仍可持续执行力学刺激，实现“递送-调控”协同作用。该结果首次在复杂动物组织模型中系统验证了该原创技术体系在真实生物环境中的综合可行性。 图5. 超声成像引导生物混合机器人的运动用于细胞递送和递送之后的细胞迁移增殖 结论与展望 本系列研究围绕磁驱动软体机器人在生物医学应用中长期存在的关键瓶颈，系统构建了从磁化可重编程驱动机理到生物功能可调控应用的原创技术体系，在软体机器人与再生医学交叉领域具有重要的基础意义 在原理层面，团队提出的实时原位磁化重编程方法突破了传统磁驱动系统中磁化状态在制造阶段固化、难以在原位调控的长期限制，使磁化分布由静态材料属性转变为可编程、可重构的状态变量。该突破显著提升了磁驱动软体机器人在复杂、多变生物环境中的适应性与功能扩展能力，为多功能执行、自适应操控及系统集成提供了通用的方法学基础，对磁驱动软体机器人的设计与控制理论具有长期指导意义。 在应用层面，研究进一步将磁驱动能力与生命系统的内在调控机制相结合，首次将原位力学刺激系统性引入生物混合机器人体系，实现了细胞递送与功能调控的一体化设计，突破了现有软体机器人与细胞递送技术“只送不管”的局限，为细胞治疗与再生医学提供了新的工程化思路。通过从2D cell-sheet、3D cell-laden组织到动物组织模型的跨尺度系统验证，本研究证明了该技术体系在不同生物尺度下的稳定性与可行性，显著提升了成果的生理相关性与转化潜力。总体而言，本工作构建的“磁化可重编程-结构可重构-生物功能可调控”技术链条，为未来智能医疗机器人、精准细胞治疗及再生医学技术的发展提供了重要理论依据与技术指导。 文章来源：EngineeringForLife |
