論文：組み立てによる磁気マイクロロボットの製作（2023）

要旨

磁気マイクロロボットは、その無線作動性、強力な制御性、高速応答性、環境への影響の少なさから、バイオメディカル分野で大きな注目を集めている。磁気マイクロロボットの臨床応用においてタスクの複雑さが増すにつれ、磁気マイクロロボットの設計にはより多くの幾何学的構造や磁化プロファイルが含まれるようになり、磁気マイクロロボットの製作に大きな課題を投げかけている。マイクロアセンブリは、小規模なモジュールで複雑な構造を作ることができる製造方法である。各磁気モジュールの位置と向きを正確に制御できるため、任意の3次元形状と磁化プロファイルを持つ磁気マイクロロボットが得られる。本稿では、接触機械力と非接触磁場力によって駆動されるマイクロアセンブリを含む、磁気マイクロロボットの最近の高度なアセンブリベースの製造方法について概説する。各組立ベースの作製法の原理、作製プロセス、利点と欠点がまとめられている。組み立てによる磁気マイクロロボットの作製に関する既存の課題と今後の発展についても詳細に論じている。この総説が方法論的な参考となり、将来のバイオメディカル応用における強力な磁気マイクロロボットの製造のための新たなアイデアにつながると信じている。

1 はじめに

マイクロロボットは、その微小サイズという特徴から[1–3] は、手の届きにくい場所でタスクを実行する可能性を秘めている、マイクロチューブ、バイオチップ、生体内の血管などである。早期診断、マイクロサージェリー、標的薬物送達、疾病監視など、多くの有望な応用が示されている。[4–12] 磁場は他の戦略と比較してマイクロロボットを作動させる理想的なエネルギー源です、[13–21] なぜなら、ワイヤレス作動、高速応答、高精度、安定した制御が可能だからだ。[3, 22–26] しかしながら、磁気マイクロロボットの臨床的な応用は、以下の通りである、磁気マイクロロボットの臨床応用には、任意の形状設計、柔軟な材料選択、およびプログラム可能な磁化パターンに基づくより高度な機能が必要であり、製造プロセスにおいて重大な課題を提起している。

過去20年間で、ステレオリソグラフィ3Dプリンティングを含む様々な磁気マイクロロボットの製造方法が開発された、[27、28]押し出し印刷、[29]加熱、[30] 金型鋳造、[3、31]レーザー切断、および化学的自己組織化または合成[36、 37]が提案されている。しかし、ステレオリソグラフィ3Dプリンティングに基づく磁気マイクロロボット製作では、隣接するボクセルの任意の磁化をプログラミングすることは、未硬化の液体フォトレジスト内の磁性粒子の強い局所的相互作用によって制限される。[27] 貯蔵弾性率の厳しい要件、磁性粒子の添加による性能の低下、および軟質エラストマー（SE）の押出膨潤はすべて、複雑な構造を波打たせるためにより微細な磁性軟質繊維を製造する押出印刷を困難にしている。[29] レーザー加熱は限られた深さまでしか浸透できないため、3D構造の磁気（再）プログラミングが妨げられる。[30] 金型鋳造は、複雑な3D構造を持つ金型から硬化したマイクロロボットを分離する際の課題により、2D構造に制限される。 >[31] レーザー切断は、もっぱら平面化されたパターンを切断するために利用される技術である。化学的自己組織化または合成プロセスは制御性に欠け、正確な3D形状や磁気プログラミングを達成することが困難である。[32] したがって、複数の複雑なタスクを実施するための、任意の形状設計、柔軟な材料選択、およびプログラム可能な磁化パターンを有する磁気マイクロロボットは、より高度な製造方法を必要とする。

マイクロアセンブリとは、高精度のマイクロマニピュレーション技術を用いて、複数のコンポーネントを持つマイクロマシンを構築するプロセスである。あらかじめ磁化されたマイクロモジュールを精密に組み立てることで、複数の材料を集積し、所望の方向に十分な局所磁気トルクベクトルを形成できる磁気マイクロロボットを作ることができる。この方法により、磁気マイクロロボットの設計空間が広がり、機械機能が大幅に向上する。この製造方法は、再プログラム可能な磁化、形状の再構成、多機能を持つマイクロロボットの可能性を大きく広げることができる。複数の材料を選択し、ミクロンからミリメートルまでのサイズの組み立てられたモジュールの位置と向きを細かく制御することで、様々なマイクロアセンブリ法により、特定の生物医学用途に合わせた強力なマイクロロボットを作ることができる。

この総説では、機能的な磁気マイクロロボットの製作に焦点を当て、接触機械力と非接触磁場力によって駆動される様々なマイクロアセンブリ法が報告されている（図 1参照）。さまざまなマイクロアセンブリ法の動作原理、組み立てプロセス、具体的な応用例が説明されている。機械的なマイクロアセンブリに焦点を当て、工具を用いた手動アセンブリと3Dプリンティングを組み合わせたアセンブリについて、加工の次元と作製されたマイクロロボットの磁気特性の観点から紹介する。また、細胞接着駆動型自己組織化により作製されるバイオハイブリッド型マイクロロボットについても紹介する。さらに、磁力、音響力、電気力、光学力を含むフィールド駆動型マイクロアセンブリー、およびそれらの組み合わせについても議論する。マイクロアセンブリによって作製された磁気マイクロロボットの生物医学的応用について、標的送達、低侵襲手術、細胞計測からインテリジェントセンシングまで、幅広く取り上げている。次に、既存のマイクロアセンブリー法の限界について、精度、効率、適用性の観点から簡単に述べる。最後に、マイクロアセンブリによって作製される磁気マイクロロボットの主な課題を明らかにし、この新しい分野の将来の方向性を示す。

図1

磁気マイクロロボットを製造するための組立方法には、接触組立と非接触組立がある。前者は、工具を用いた手動組み立て、3Dプリンターと組み合わせた組み立て、細胞接着による自己組み立ての3つのタイプに分けられ、後者は、磁気駆動組み立て、音響駆動組み立て、電子駆動組み立て、光学駆動組み立ての4つのタイプに分けられる。

2 コンタクト・アセンブリによる作製

「コンタクト・アセンブリ」とは、その名が示すように、接触による機械的な力によって駆動されるマイクロ・アセンブリのことである。この方法の製造戦略は、あらかじめ磁化されたモジュールを組み立てるか、磁化しながらモジュールを組み立てることである。物理蒸着法などの他の製造方法と比べて、複雑な3次元構造、任意の磁化プロファイル、多機能を持つ磁気マイクロロボットを自由に作ることができる、[38–40]自己カール、[41–44] および電着。[45–52] 接触組立による製造には、工具支援手動組立による製造が含まれる、3Dプリントと組み合わせたマイクロアセンブリによる作製、および細胞接着駆動型自己組織化による作製が含まれる。これらの原理、作製手順、応用例については以下のセクションで説明する。

2.1 工具アシスト手動組立

一般に、ツールアシストによる手動組み立てのプロセスには、図1に示すステップが含まれる。まず、硬磁性微粒子を埋め込んだSEをフォトレジスト金型に充填する。複合材料が充填された金型は真空チャンバーに入れられ、閉じ込められた空気を除去するために脱気される。磁性エラストマー複合材料が部分的に硬化した後、電磁石を使用して均一な磁場を印加し、形成されたモジュール内の予備磁化粒子を整列させる。モジュールの磁化方向がより複雑な場合は、補助治具を使用して機械的に固定し、製造精度と再現性を制御することができる。[32、53、 54]その後、ピンセットなどの小さな手工具を使用して、硬化したモジュールをピックアップし、位置決めと方向付けのために移動させる。最後に、接着剤（例えば、液状の非架橋SE、万能接着剤、光学接着剤）を隣接するモジュールに塗布してモジュールを組み立てる。さらに、サイズが小さく外形が複雑な平坦化モジュールの製造には、磁性エラストマー複合材料を清浄な基板上にスピンコートし、焼成して固体層を形成することができる。その後、レーザー切断を使用して、固体層上に高品質のエッジを持つ任意のパターンを形成することができる。

最近、磁気マイクロロボットの製造において、工具支援による手動組み立てが広く利用されている。Zhangらは、図 2Aに示すように、運動と自己把持が可能な、環境を意識した無拘束12脚マイクロロボットを設計した。[55]12本の脚は、未硬化の磁気応答性エラストマー（MRE）を、予め定義された面内形状を有するネガ型に鋳込むことによって作製した。その後、硬化した脚を取り出して磁化し、均質な磁化プロファイルをプログラムした。次に、接続パッド用のスペースを残しつつ脚にフィットするような幾何学的形状を備えた2つ目のネガ型に脚を入れた。マイクロロボットの中央ボディは、LCEフィルムからレーザーカットした液晶エラストマー（LCE）で作られた。次に、中央本体を整列させ、第2の金型に鋳込まれた未硬化のSEの上に配置した。最後に、接続パッドを介して脚を中央ボディに接続し、磁気マイクロロボットを製作した。LCEのプログラム可能なダイレクタフィールド、MREのプログラム可能な磁化プロファイル、および多様な幾何学的構成により、組み立てによって提供される柔軟な材料選択は、非常に大きな設計自由度と豊富な自由度（DoF）を提供する。このマイクロロボットは熱応答性であり、将来的には、時空間分解能と作動速度を向上させ、より優れた性能を実現するために、光を制御入力として使用することも考えられる。Giovanni Pittiglioらは、無外傷の自律的内視鏡検査用に患者固有の磁気カテーテルを設計した。[56] 図2Bに示すように、磁性微粒子(NdFeB)をドープしたシリコンから鋳造した後、各セグメントは、ガイドピンと特注の磁化用印刷トレイを用いて、特定の回転アライメント角度で固定された。その後、磁性セグメントを2つ目の金型に移し、インデックス機能を使って配置し、ドープしていないシリコーンを金型に注入した。最後に、硬化と脱型を行い、軟質連続体磁気ロボット（SCMR）を作製した。ナビゲーションを向上させ、環境との接触を減らすために、将来的には製造プロセスで非平面磁化を行う必要がある。Wuらは、磁気制御された伸縮可能な折り紙ロボットアームを作製し、マルチモーダルな変形を実現した。[57] Kreslingユニットと磁気プレートは、Sil-Poxy接着剤を用いて組み立てられている。ポキシ接着剤を用いて組み立てられており、ロボットアームの高度に統合された動きは、再構成可能なクレスリングユニットの固有の特徴と、複数のユニットの組み立てによる製造方法に起因している。Wuらは、エコフレックス00-30によってロボットの柔らかいボディの両面に接着された接着ロボットフットパッドを設計し、3次元の複雑な地形を登ることができるマイクロロボットを製作した。[58] 異なる粘着ロボットフットパッドの設計は、複雑な形状と異なる表面特性を持つ異なる3D表面に使用することができる。組み立てによるこの製造方法は、より多くの材料選択を提供し、マイクロロボットの再構成可能性と環境適応性を高める。生物体内の液体環境に浸漬する必要がある臨床試験のためには、組織表面を登る際の剥離を避け、フットパッドの組み立てを完了するための高度な水中生体接着剤を開発する必要がある。

図2

工具支援による手動組み立て。A) 12本足の小型マイクロロボットの製作工程の概略図。 [55] Copyright 2021, Wiley-VCH. B) 特定の磁気シグネチャーを持つSCMRの製造プロセス。 [56] Copyright 2022, Mary Ann Liebert, Inc. C)プログラマブルで多機能な磁気マイクロロボットのための、磁化されたNdFeBパターンと機能モジュールの統合の概略図。 [60] Copyright 2022, AAAS. D)3Dリングソフトマイクロロボットの治具支援製作の図。 [61] Copyright 2021, AAAS.

既存の磁気起動ソフトロボットは、センシング、信号処理、作動の間のループを閉じることができない。[59] この点で、組立ベースの製造方法は、複数のタスクを実行する能力のために、磁気マイクロロボット上のプログラム可能な構造変化と様々な機能モジュールを同時に統合することができる。Dongらは、プログラム可能な磁化と統合された多機能モジュールを持つ、無拘束磁気ソフトマイクロロボットを構築した。[60] 図2Cに示すように、プログラムされた磁化モジュールは、粘着シール層に直接埋め込まれた。次に、温度および紫外線（UV）感知粒子、pH感知シート、オイル感知発泡体、位置決め電子部品、回路ホイル、治療パッチフィルムを含む空間的に分散した機能モジュールが、ソフトマイクロロボットに統合された。磁気マイクロロボットの汎用性と適応性は、モジュール式ソフトマテリアルシステムのエンジニアリングに採用できる。さらに、消化管や鼻腔の手術などのバイオメディカル用途では、より小型のソフトロボットが必要とされている。したがって、将来の臨床応用のために、このマイクロロボットをより小型化するために、オンチップ製造技術やロールアップ技術を採用することができる。さらに、このマイクロロボットの磁化プロファイルは固定されている。将来的には、粘着シールの物理的特性を局所的に変化させ、磁化プロファイルをさらに再プログラムすることで改良することができる。

任意の3D構造と磁化プロファイルを持つマイクロロボットを自由に作成するために、Zhangらは治具支援3D異種ボトムアップ組み立てアプローチを提案した。[61] これは「ボクセル」と呼ばれる多材料異種マイクロスケールのビルディングブロックを組み立てることができる。図2Dに示すように、3Dリング型マイクロロボットがこの治具支援組み立てによって製作された。まず、磁化された2つのボクセルが治具に差し込まれ、治具の長いスリットはボクセル間の強い磁気相互作用を避けるためであった。次に、キャップ開口部から接合剤を塗布し、エッジ接合を形成した。次に、磁性ボクセルと非磁性ボクセルを2D治具と3D治具に順次差し込み、面接合によって3Dリングを形成した。これらの治具は、製作精度と再現性を制御するためのガイドラインと基準を提供することができ、製作中にボクセルが互いにぶつかったり飛び散ったりするのを防ぐことができる。この手動組み立て法は、磁気マイクロロボットの達成可能な複雑性を向上させ、バイオメディカル分野での能力を高める。生体適合性を向上させるために、ゼラチンや強磁性FePtナノ粒子など、より生体適合性の高い材料を組み立て用のボクセルとして使用することができる。

2.2 マイクロアセンブリと3Dプリンティングの組み合わせ

レイヤーごとに物体を製造するラピッドプロトタイピング技術としての3Dプリンティング、[62–66]は、近年マイクロロボットの製造プロセスで広く使用されている。[67–74[] マイクロロボットの高解像度製造が可能になり、経験やスキルの乏しいユーザーでも設計から製造までの所要時間を短縮できるようになった。[75–77] その上、幅広い材料（例えば、金属、ポリマー、バイオテクノロジー、バイオテクノロジー、バイオテクノロジー、バイオテクノロジー、バイオテクノロジー、バイオテクノロジーなど、金属、ポリマー、バイオインク、およびコンポジット）[78–81[81]を選択し、マイクロロボットを製造するための高いアクセシビリティと再現性がある。マイクロロボットの製造には、ステレオリソグラフィを含むさまざまな3Dプリント技術がある、[82–84] デジタル光処理、 >[85–87] 直接レーザー書き込み（DLW）、[88、89]インクジェット3Dプリント、[90–93]および溶融積層造形法（FDM）。[86、94、 95]組み立てによる製造方法、3Dプリントと組み合わせることで、任意の形状設計と磁気プログラミングを維持しながら、生産の精度、効率、再現性を向上させることができる。マイクロロボットの手作業による組み立てが小規模になると困難になるという問題を解決し、個々のモジュールを1つずつ手作業で組み立てる反復ステップをキャンセルすることができる。

近年、マイクロアセンブリと3Dプリンティングを組み合わせた製造方法が、磁気マイクロロボットの製造プロセスに適用されつつある。Huらは、2光子重合（TPP）を用いて、軟質または硬質のポリマー微細構造またはリンクを3Dプリンティングすることで、ヤヌス微粒子ベースの磁気マイクロアクチュエータを選択的に連結した。[96] 一般的な製造プロセスは、図 3Aに示されている。まず、各磁気マイクロアクチュエータは、回転磁場下で目標位置に到達するように転がされ、磁場に基づくトルクを加えることによってその向きが制御される。その後、ポリエチレングリコール（PEG）ジアクリレートハイドロゲルをアンカーの犠牲材料として、TPPを用いてガラス基板上に一時的に固定する。次に、3Dマイクロプリント技術を用いて、固定されたマイクロアクチュエーター上にリング状の保持用ポリマー構造を作成し、その後の接続に使用する。すべてのマイクロアクチュエーターが物質上に固定された後、固定されたすべてのマイクロアクチュエーターの間に、互いに連結するための3D構造またはリンクが軟質または硬質のポリマーによって3Dプリントされる。この1次元マイクロアセンブリ法によって形成されたリンクされた2次元マイクロアクチュエーターネットワークは、プログラムされた2次元および3次元の形状変形を示す。高解像度3Dプリンティングの組み合わせにより、作製されたマイクロロボットの全体サイズは100μm以下となる。この作製法は、将来の細胞スケールでの生物医学および臓器オンチップ・アプリケーションのために、プログラムされた多様な形状変形と機能を提供する。

図3

3Dプリンティングと組み合わせたマイクロアセンブリ。A) 2粒子チェーン製造プロセスの模式図。 [96] Copyright 2021, AAAS. B)離散的な3次元磁化をパターン化するシステムと、そこから作製された水平・垂直磁化成分を持つ2層構造。 [27] Copyright 2019, AAAS. C）高分子磁気マイクロアクチュエータの製造における磁軸固定プロセスの概略図。 [28] Copyright 2011, Springer Nature. D) カスタム異方性を持つ磁気構造を3Dプリントするスキームの概略図。 [98] Copyright 2015, IS&T. E) 製造システムと多層印刷プロセスの概略図。 [99] Copyright 2023, Wiley-VCH. F）多段階DLW成形プロセスの概略図。 [100] Copyright 2022, Springer Nature.

しかし、マイクロアクチュエータネットワークの組み立ては、各マイクロアクチュエータを1つずつ直列に組み立てる手順と、マイクロアクチュエータを連結するための多段階の手順により、製作速度が制限される。この問題を解決するために、2Dパターンアセンブリの製造方法が適用される。この方法では、磁性粒子一つ一つをターゲットとするのではなく、設計されたパターンに従って全ての磁性粒子を所望の領域に配向させ、任意の2次元形状と磁化プロファイルを持つマイクロロボットを作製する。Xuらは、図3Bに示すように、サブミリスケールで任意の3次元配向を持つ平面材料に磁性粒子をエンコードするために、UVリソグラフィに基づく製造戦略を提案した。[27] 予備磁化された永久磁性粒子は、正確に再配向され、その後、局所的な磁化をパターン化するためにUV樹脂が選択的に硬化された。適度に均一な磁気モーメント密度を維持するために、粒子サイズよりもおよそ1桁大きな磁化フィーチャサイズを推奨した。柔軟な材料に離散的な3次元磁化をプログラムするこの製造方法は、平面アクチュエータに任意の磁気トルク分布を与える。作製されたマイクロロボットは、この方法によって、1枚のポリマーシートで高次・多軸曲げ、大角度曲げ、曲げとねじりの複合が可能になる。二重層構造を作る方法も、彼らの研究で実証されている。しかし、これは作製プロセス中に手作業で金型を交換し、複合材料を追加することに基づいており、3Dマイクロロボットを作製するには十分効率的ではなく、労力もかかる。将来の臨床応用では、NdFeB磁性粒子は重金属毒性があるため、サマリウムコバルトやフェライト永久磁性粒子が代用品として考えられる。Kimらは、図3Cに示すように、マイクロスケールで無制限の形状の異種磁気異方性の自由なプログラミングを可能にするin situ製造戦略を提案した。[28] この製造プロセスは、超常磁性ナノ粒子の自己組織化挙動と、空間的に変調された光パターニングプロセスを組み合わせたものである。均一磁場下ですべての部品が異なる方向に動くマイクロアクチュエータは、ナノ粒子集合体を繰り返し調整し、急速光重合を用いて集合状態を固定することで作製した。このマイクロアセンブリ法と3Dプリンティングを組み合わせることで、従来の製造プロセスでは実現が困難であった、2次元および3次元の複雑な作動が可能な高分子ナノコンポジットアクチュエーターを作成することができる。Songらは、多様な磁気構造要素を印刷することで、ソフトマトリックス中の磁気モーメントをプログラムできる形状プログラミング戦略を発表した。[97] この方法では、磁気活性ソフトマテリアル（MASM）を形成するために、さまざまな配向磁気構造要素とカプセル化された金型を製造するために、FDMによる3Dプリンターが採用される。その後、液状シリコーンゴム（SR）を型に流し込み、室温で硬化させる。作製されたMASMは、高速で、可逆的で、プログラム可能で、安定した形状変換特性を有し、ソフトロボット、医療、バイオニクスの応用に有利である。

しかし、上記の作製方法は2次元のマイクロアセンブリに限られており、3次元の複雑な構造を構築することは困難である。Garrett Clayらによって提案されたアプローチでは、図3Dに示すように、異方性をプログラムで制御した磁性材料を3Dプリントする。[98] UV硬化樹脂中の磁性ナノ粒子からなる磁性インクは、ノズルから物質上に噴射される。3D磁気構造を作製するために複数の層を印刷する場合、インクはUV硬化性であり、次の層を印刷する前に各層を硬化させる。磁性ナノ粒子を含むインクの各液滴が印刷される際、異方性を正確に揃えるために制御可能な磁場が印加される。このレイヤー・バイ・レイヤー印刷による作製は、磁性粒子を埋め込んだ厚すぎる複合材料を紫外線が透過しにくいため、磁性粒子の配向が不飽和になるという問題を解決する。将来的には、磁性ナノ粒子を高充填し、安定性を有する噴射可能でUV硬化可能なインクの処方が開発される可能性がある。しかし、このレイヤーごとの磁気インク印刷法では、作製されるマイクロロボットの柔軟性にまだ限界があり、2次元平面と垂直方向の両方で3次元形状と磁気プロファイルを任意に作成できる方法が求められている。Liらは以前の研究[27] を改良し、多層パターン3D印刷を実現した。[99] 製造プロセス中の手動調整の問題を解決するために、垂直運動ステージが使用されました、図3E に示すように、ビルドプレートの動きを制御するために垂直運動ステージが使用され、ビルドプレートと基板との間に形成される小さなギャップの増加によって多層印刷が達成された。周囲の磁性スラリーは、ビルドプレートが持ち上げられると、その重さによって流れ込んでギャップを埋め、その結果、手作業による容器の交換と材料の添加の問題を解決した。すべての予備磁化された磁性粒子は、まずアライメントのために磁場によって配向され、次にUV光を投射して領域の重合と粒子の凍結によって機械的に方向を固定した。2次元平面での選択的領域硬化と組み合わせることで、[27] 3次元マイクロロボットは、同じステップを繰り返すことで作製できる。単層の磁気マイクロロボットに比べて、この方法で作製されたマイクロロボットは設計範囲が広く、複数の層を積み重ねることで磁気トルクが大幅に強化され、アクチュエーションのための高い強度を得ることができる。また、この組立ベースの作製により、様々な材料が統合されるため、マイクロロボット構造の操縦性も向上する。しかし、提案された製造方法には、磁化の強度と連続性の点で限界がある。予備磁化したNdFeBナノ粒子を配向させるために中強度の整列磁場を用いるため、磁化強度は低く、プリント形状の構造変形は限定的である。さらに、磁化が個々のセグメントごとに離散的にパターン化されるため、滑らかで連続的な磁化プロファイルを形成するのに時間がかかる。Liuらは、図3Fに示されているように、成型一体型DLWによって3D磁気機能マイクロデバイスを作成するための容易な製造戦略を発表した。[100]ポジ型フォトレジスト固体層の場合、フェムト秒レーザービームを集光してスキャンし、後で除去する予定の領域でのみフォトレジストを露光した。その後、露光後のベークによって光反応が完了し、露光されたフォトレジストは現像液に溶解した。空洞は、所望のマイクロロボット構造を充填するための型として残された。次に、外部磁場下で磁性粒子とエラストマーの複合体を型に流し込み、粒子を所望の方向に沿って配向させた。フォトレジストの未露光部分は依然として光反応性を示すため、この露光-成形サイクル全体を、プログラムされた磁性材料の方向を変えて繰り返すことができる。また、複数のフォトレジスト層を用意することで、マイクロロボット製造用の異種材料で3D複雑構造を成形することもできる。この方法は、加熱（≒100℃）と現像の繰り返しや溶媒によって特性や形状が影響を受ける可能性のあるものには適用できないことに注意すべきである。

近年、マイクロアセンブリと3Dプリンティングを組み合わせた多くの製造方法が登場している。例えば、選択的な表面接着チューニングに基づく転写プリンティング法などである、[101] モジュール式4Dプリンティングは、将来の磁気マイクロロボット製造において大きな可能性を秘めています、[102] など。従来の3Dプリント後の磁化による作製と比較、[103] このアセンブリベースの3D磁気プリント法は、異種材料、複雑な形状、および任意の磁気プロファイルを持つ磁気マイクロロボットの作成を容易にする。

2.3 細胞接着駆動自己組織化

細胞接着駆動自己組織化は、細胞の外的・内的接着力によってバイオハイブリッド・マイクロロボットを作る新しいマイクロアセンブリー法である。細胞接着は、生化学的刺激、内外力、細胞外環境の力学的特性など、いくつかの因子の組み合わせによって制御される。[104–106] 細胞接着は、バイオハイブリッドマイクロローラーのための接着駆動型自己組織化法である。バイオハイブリッドマイクロロボットを作製するための接着駆動型自己組織化法は、細胞増殖中の外部接着力を利用して磁性足場と細胞を組み立てる、あるいは、細胞マトリックスの内部接着力を利用して、細胞内に飲み込まれた磁性粒子を捕捉する方法である。これらの方法によって作製された磁気マイクロロボットは自然な生体適合性を持ち、作製プロセスには外部からの介入は必要ない。Liらは、図 4Aに示すように、標的細胞を運搬・送達できる磁気マイクロロボットを発表した。[107] このマイクロロボットは、3Dレーザーリソグラフィによって作製されたバリ状の多孔質球状構造を持つ、このマイクロロボットは、3Dレーザーリソグラフィによって作製されたバリ状の多孔質球状構造体であり、磁気アクチュエーションのためにNiコーティングされた表面と、生体適合性を向上させるためにTiコーティングされた表面を持つ。この方法によって作製されたマイクロロボットは、生体内で標的細胞の輸送と送達を行うことができる。Goらはまた、関節軟骨修復への応用の可能性を視野に入れ、共培養によって目的の間葉系幹細胞を組み込んだ磁性マイクロサフォールドを提案している。[108] この方法を臨床応用するためには、2つの重要な問題に取り組む必要がある。一方では、自動化されたリアルタイムの追跡制御のために、効果的なin vivoイメージング技術を深部組織に適用する必要がある。一方では、高い機械的強度を持つ3次元生分解性構造体の開発が必要である。組み立てに細胞内部の接着を利用するもう一つの方法は、食細胞など特定の細胞の貪食機能に依存する。Lin Fengらは、図4Bに示すように、標的薬物送達のために磁化マクロファージ細胞マイクロロボットを設計した。[109] バイオハイブリッドマイクロロボットのキャリアはマウスマクロファージであった、マクロファージは直径10nmのFe2O3 粒子を飲み込むことができる。共培養の過程で、マクロファージ細胞はマクロファージのエンドサイトーシスによって磁化された。マクロファージの天然の生体適合性と生物学的特性から、これらの組み立てられたマイクロロボットは、インテリジェントな薬物送達のための非常に有望なプラットフォームと考えられている。Dogan et al. このマイクロロボットは、マクロファージが操作された磁気デコイ細菌を取り込むことで構築された、[110] Fengらによる研究と同様である。[109] 生体から生きた細胞を新鮮に分離して医療用マイクロロボットを構築するこの方法は、臨床応用において大きな可能性を秘めている。生体内に注入されると、生体はそれを自分自身のものとして認識する。[6、111]より重要なことがある、生きた細胞を用いた治療法は、従来の薬物や生物製剤では不可能であった、持続可能な長期的治療機能を発揮することができる。さらに、細胞のサイズが小さく、巻き込まれる磁性ナノ粒子の数が限られていること、また細胞の個体差や生物学的特性のため、細胞ロボットの動きはかなり遅い。今後の課題は、細胞ロボットの磁場強度と磁化を改善することである。

図4

細胞接着による自己組織化。A) バリ状球状構造体の細胞との共培養過程の模式図と走査型電子顕微鏡像。 [107] Copyright 2018, AAAS. B）磁化マクロファージマイクロロボットの作製過程の図と光学顕微鏡グラフ。 [109] Copyright 2021, IEEE.

3 非接触組み立てによる製造

非接触アセンブリーとは、間接的な接触、つまり磁気、音響、電気、光学、流体、空力[112]および他の場の力を使用することである。多様なマイクロコンポーネントを所望の構造に組織化することができ、コンポーネント間の物理的相互作用によって自発的に駆動される。外場はマイクロロボットの運動動力源としてエネルギーを供給し、サブユニットを組み立てるための物理的相互作用を指示することができる。このようなモジュラーユニットから構成されるマイクロロボットは、再構成可能な多機能性の組み込みと、コンポーネントの相対的な配置によるマルチモーダルな運動能力を可能にする。非接触組み立てによるマイクロロボットの製造には、異なるコンポーネント間の動作ダイナミクスの理解と、物理的相互作用による組み立て経路のエンジニアリングが必要である。過去10年間で、非接触場力によって駆動される様々な製造方法が出現し、外場下での形状および材料固有の力応答を利用することで、個々のコンポーネントにおける物理的相互作用のプログラミングが可能となった。それらの原理、製造プロセス、および応用について、以下のセクションで説明する。

3.1 磁気駆動組み立てによる製作

磁気マイクロロボットの製作によく使われるアプローチとして、磁気駆動組立がある。この製造プロセスでは、磁界勾配によって磁性部品を特定の位置に位置決めするために磁力が使用される、[113] また、磁気トルクは、回転磁場下で各磁性部品の方向を方向付けるために使用される。ここで、磁気駆動マイクロアセンブリは、アセンブリ対象物の種類によって大きく2つに分けられる。1つ目は、複雑な幾何学構造を持つマイクロマグネティック・モジュールを用いてマイクロロボットを構築するもの。第二のカテゴリーは、自己組織化によって形成される磁気マイクロロボットの群れである。

3.1.1 マイクロマグネティック・モジュールの組み立て

レゴブロックの組み立てに似たマイクロアセンブリ法が開発された。作製された小型磁気マイクロロボット・モジュールは、特定の磁場下で相互に作用し、所望のパターンに編成することができる。外部磁場の変化に応じて、マイクロロボットの多様なリアルタイムの形態を非構造化環境に応じて選択的に組み立てることができ、マルチモーダルなロコモーション行動も現場のタスク要件に基づいて構成することができる。この組み立てに基づく製造方法は、摂動的で狭い環境における多様なタスクのナビゲーションと実行において、柔軟性と汎用性を提供する。

1988年のセルラーロボットのコンセプト以来、[114] モジュラー型マイクロロボットは、そのエキサイティングな可能性により、ますます注目を集めている。Jiらは、2つのモジュールによって組み立てられ、3Dロコモーションと上流遊泳を可能にする磁気小型プロペラを提案した。[115] 2つのモジュールは同じ構造を持つが、さらなる磁気ドッキングのために反対の磁性を持つ。 図 5Aに示されるように、ミニプロペラは、らせん状の設計による磁気引力からの自己誘導の下で組み立てられる。プログラム可能な磁場を調整することで、方向性のある自己組立とオンデマンドの分解を行うことができる。コストを大幅に削減し、複雑なハードウェアの配置を省くことができ、[116] マイクロロボットに複雑な環境での適応性を高め、3D迷路を移動する能力を与えることができる。Yangらは、図5Bに示すように、形態と行動を同時に再構成できるミリメートルスケールの細胞ロボットを報告した。[117] マイクロロボットは2種類のユニット（長いユニットと短いユニット）から構成されている、このマイクロロボットは、2種類のユニット（長いユニットと短いユニット）から構成され、磁場の印加と除去によって磁化と脱磁を行い、ユニットのオンデマンド組み立てと分離を行うことができる。効果的な経路計画のもとで、複数の形態構成が達成される。この可逆的で制御可能な多重異種アセンブリによって作製されたマイクロロボットは、マルチモーダルなロコモーション挙動を構成することができ、狭い空間や高い障壁のある非構造化環境での応用の可能性を示している。また、Rogowskiらは、2Dロコモーションと任意の磁場印加による協働アセンブリのための小型モジュラーキューボイドも設計している。[118] 物体を捕獲し、作業空間内で運搬し、その後新しい場所でペイロードを解放するように開発することができる。

図5

マイクロマグネティック・モジュールの組み立て。A) 2つのモジュールを持つ3Dスイミング磁気ミニプロペラの組み立てと分解。 [115] Copyright 2021, IEEE. B) 形態を再構成できるミリスケールの細胞ロボットの選択的組み立てプロセス。 [117] Copyright 2022, Springer Nature. C) 磁気的に制御されたモジュラーキューブの自己組織化と分解。 [119] Copyright 2022, IEEE. D) 組み立てステージと組み立てられたπ型マイクロロボットの様子。 [120] Copyright 2019, AAAS.

構造の複雑化とマイクロマグネティックモジュールの数の増加により、組み立てられたマイクロロボットは任意の形状と磁気プロファイルを持つことができる。Bhattacharjeeらは、図5Cに示すような再構成可能なモジュラーキューブを発表した。[119]3Dプリントしたサブユニットの穴に8つの円筒形永久磁石を埋め込むことで、2種類のモジュール式キューブ（青と赤のキューブ）を作製した、さらに、磁石の南北極の向きを変えて、磁気相互作用をさらに高めた。組み立て工程は、一様な磁場が印加された境界のある作業スペースで行われた。図5Cは、6つのモジュラーキューブの組み立てと分解のプロセスを示している。これらのモジュラー・マイクロロボットは、複雑なメソスケール・ファブリケーションに有用なさまざまなツールを作成するために、自身を再構成することができる。自己組織化／自己組織化の複雑さは、より多くの立方体や3次元構造を使用することによって、将来的に増大させることができる。Guらは、図5Dに示すように、任意の形状と磁化で安定でフラストレーションのない集合体を形成できる磁気四重極モジュールを提案した。[120] 各モジュールが調整可能な双極子モーメントを有するため、単一モジュールレベルでの全体的な集合体の磁化をプログラムすることができる、また、低侵襲医療機器の設計に必要なパターンを形成するための組合せ設計法が提案されている。この組立アプローチは、Bhattacharjeeらによる研究に類似している、[119] しかし、この研究のモジュールは磁場をかけることによって一様に制御されるわけではない。図5Dに示すように、作業台の下に配置された磁気ピンセットを使って、薄い真鍮基板上の個々の四極子を動かす。磁気モジュールの製造プロセスは、3Dプリンターの解像度、市販の永久磁石、永久磁石を手動で操作するプロセスによって制限されている。さらなる努力は、類似の四重極設計と磁石を操作する3Dロボットハンドを使用して、これらの製作上の制限を克服することに焦点を当てることができる。

磁気モジュール集合体のコンセプトは、マイクロロボットの製造戦略として広く採用されるようになった。Hanらは、パッチ状の磁気キューブからシーケンス・エンコードされたコロイド・スケールのアセンブリーを実装し、細胞やコロイド折り紙の輸送に使用することができる。[121] Kuangらは、変形可能な磁気応答材料を作成するために、モジュール組み立て後にシームレス溶接する方法を提案した。[122] Chengらは、カスタマイズされた構造および機能のためにモジュール化可能な自己修復超分子磁性エラストマーを提案した。[123] さらに、組み立てによって作製される磁性バイオハイブリッドマイクロロボットも近年非常に支持されている。Gongらは、クロレラ細胞をベースとした磁性バイオハイブリッドマイクロロボットのマルチマーを発表した。このマルチマーは、磁気双極子相互作用による引力誘起自己集合と斥力誘起分解によって再構成可能である。[124] このバイオハイブリッドマイクロロボットは、細胞毒性が少なく優れた生体適合性を示し、抗がん剤治療を含む標的薬物送達に大きな可能性を持っている。

3.1.2 自己組織化によって形成される磁性マイクロロボット群

磁気マイクロロボットの群れは、医療や生体工学への応用の可能性から大きな注目を集めている。[125–128] 単体のマイクロロボットでは、薬物のローディング能力は小さいため要件を満たすことができない、マイクロロボットのサイズや体積が小さいため、薬剤のローディング能力は要件を満たすことができず、リアルタイムのin vivoイメージングも困難である。マイクロロボットの群れは、適切なグローバル入力によって運動中に制御可能なパターンを維持することができ、そのパターンはアクチュエーションパラメータを調整することによって再構成することができる。[129, 130] 独立したマイクロロボットと比較して、マイクロロボットの群れは、複雑な環境に適応し、ターゲットへの高いアクセス率を実現する。磁気マイクロロボットの群れの集団行動は、磁場刺激によって引き起こすことができる、[131–134] そして、ナビゲートされたロコモーションの可能性を持っています、このセクションでは、最近の目覚ましい進歩を要約する。本セクションでは、磁性マイクロロボット群の自己組織化における最近の目覚ましい進歩を要約する。

個々のマイクロロボットは、異なる入力磁場下で振動、転がり、転がり、回転という複数の動的モードを示した。これらの複数のモードは、マイクロロボットが液体の対応する群れの形成に自己組織化する引き金となる。Tasciらは、面内回転磁場によって誘起される等方的相互作用によって超常磁性コロイド粒子から形成されるコロイドマイクロホイールを提案した。[135]磁気誘導組み立てプロセスを図 6Aに示す。このマイクロロボットは速い運動速度を持つが、磁場の大きさの制限により、最速の微生物にはまだ及ばない。Yuらは、図6Bに示すように、振動磁場を用いて常磁性ナノ粒子から形成されるリボン状の磁気マイクロウォームを報告している。[136] マイクロウォームは、分裂や合体だけでなく、極めて高いアスペクト比で可逆的な伸長を行うことができる。Xieらは、蛇のような磁気マイクロロボット群をプログラム可能に生成し、運動制御する方法を発表した。[137] 図6Cに示すように、図6Cに示すように、ピーナッツ状のヘマタイトコロイド粒子は回転磁場下で蛇のような構造に集合する。Xieらの研究[25]では、上記の複数の集合モード間の高速かつ可逆的な変換が、交互の磁場によって達成されている。マイクロロボットの群れは、優れた操縦性で任意の方向に操縦するようにプログラムすることができ、環境の変化やマルチタスクの要件に対処するための多目的な集団モードを提供する。

図6

自己組織化によって形成される磁気マイクロロボット群。A) コロイドは回転磁場下で等方的相互作用を介して集合する。 [135] Copyright 2016, Springer Nature. B)印加された振動磁場と振動磁場下で形成された粒子鎖を示す概略図。 [136] Copyright 2018, Springer Nature. C)円形に回転する磁場を受けた群れの運動と、蛇のような磁気マイクロロボットの運動を示す模式図。 [137] Copyright 2019, IEEE.

上記の集団モードに加えて、近年、磁気マイクロロボット群に関する多くの革新的な研究が行われている。自己組織化によって形成される磁気マイクロロボット群におけるこれらの最近の進歩は、表 1に要約されている。