自然界中生物体自发的群体行为，如蚁桥搭建、细菌菌落增殖、鱼群和鸟群的运动等，是生物体躲避天敌、趋利避害的有效途径。通过对自然界中生物体群体行为的仿生研究，科学家们通过不同的控制方式（光、电、声、磁、化学等）实现胶体颗粒在微观尺度下的集群控制。其中，磁控微机器人集群（magnetic microswarm）在生物医学领域展现出巨大的应用潜力，这主要得益于其优越的主动操控能力、增强的成像对比度和可调控的环境适应能力。目前，在血液循环系统中实现微集群的实时定位追踪仍具有挑战性，主要存在以下亟待解决的核心问题：（1）快速变化的血流破坏微集群的稳定性，难以实现集群的可控运动；（2）缺乏对真实生理环境下微集群状态的高精度实时反馈策略，无法及时作出调整微集群的控制参数；（3）缺乏即时描绘复杂血管结构的大面积成像方式，难以实现微集群的长距离导航和追踪。针对这样一些问题，研究者利用激光激光散斑对比成像（laser speckle contrast imaging, LSCI）对磁性微集群在血液循环系统中实现实时精确定位与导航，该研究成果以“Tracking and navigation of a microswarm under laser speckle contrast imaging for targeted delivery”为题发表在《
本文中，作者们提出一种基于激光散斑对比成像对静止和流动血液环境中实时追踪和导航微集群的策略。LSCI具有成像面积大、高时空分辨率和非侵入性等特点。通过一系列分析灌注单元（PU）数值可定量研究微集群引发的动态对流变化，为研究微集群的群体行为和微集群与各种血液环境之间的相互作用提供了新型研究方法。LSCI可以实时监测微集群和周围环境的相互作用，通过进一步分析图像信息，可实现复杂血管系统中微集群的实时追踪与导航。此外，本文的研究策略实现了对活体内微集群的实时追踪、导航与递送，展示出LSCI 引导的微集群在血管系统中实施主动靶向递送的巨大潜力。在本研究中，作者使用Fe3O4@SiO2纳米粒子作为磁性微集群的基本构筑单元（building blocks），并利用旋转磁场调控微集群的聚集行为，并实现贴近血管壁的集群导航。在静态血液环境中，微集群旋转运动产生的动态对流搅动周围的红细胞，LSCI可以检测红细胞的运动并将其转化为较强的对比度信号。这个特性也允许研究者们对微集群和周围血液环境的相互作用进行深入的探究，同时能通过对红细胞的运动来评估微集群的动态对流能力，并通过监测PU值的变化实现定量分析。在动态血液环境中，微集群的定位主要依赖于微集群与周边血流流速分布所造成的成像对比度差异，进而实现微集群在血液循环系统中的精确追踪与导航。
为了进一步研究微集群在真实组织环境中的成像和追踪效果，作者利用人体胎盘作为模型演示微集群在真实血管环境中的长距离导航能力。胎盘的软组织成分和复杂的血管解剖结构与人脑具有相同的特征，是研究微集群在真实血管环境中成像与追踪策略的理想模型。LSCI 可以直接描绘具有分支结构的真实血管的全视场成像，进而通过扩展成像视场更加有效地追踪微集群。随后，作者通过医用导管将纳米颗粒输送到血管中，然后在旋转磁场操控下形成微集群，并对微集群在胎盘血管中进行顺流和逆流的追踪和导航测试。结果显示，得益于实时成像反馈和有效的控制策略，微集群无论是在顺流还是逆流条件下都能保持稳定状态，并显示出清晰的成像信号。作者对胎盘血管中的微集群进行连续五个周期的追踪和导航，总导航距离约400毫米。根据结果得出，在LSCI的引导下，作者所提出的控制及追踪策略可以在人体胎盘血管中实现相对长距离的微集群连续导航。
微/纳米机器人集群的实时体内成像是实现高效递送的关键。作者们选择大鼠股静脉作为活体模型来验证微集群的体内成像效果。LSCI可以对微集群在活体血管系统中的形成过程进行实时监测。在注射纳米颗粒之前，股静脉中没有产生非常明显的成像信号；而在注射纳米颗粒后，颗粒在磁场作用下逐渐聚集，进而血管中显示出微集群的成像轮廓。与聚集过程中的纳米颗粒相比，微集群在完全形成后表现出更高的成像对比度。 随后，作者们研究了LSCI引导下的微集群在血管中的实时追踪和导航。在顺流和逆流导航过程中，得益于有效的控制策略，微集群从始至终保持稳定完整的状态，且无显著的颗粒损失。股静脉中微集群的强成像对比度提高了导航精度，并进一步实现了活体内的高输送效率。定量研究根据结果得出，85% 的微集群在体内完成顺流和逆流导航后可被回收。
总结来说，LSCI引导下的磁性微集群实现了体外和体内血管环境中的实时追踪和高精度导航，实现了在不同条件下定量评估微集群与血液环境的相互作用，并可以在较高流速条件下（平均流速55 mm/s）实现微集群的高效输送。本研究为微纳米机器人集群在血液循环系统中的靶向递送提供了有效的控制策略，有助于以微纳米机器人集群为基础的治疗平台的开发与临床应用。
香港中文大学机械与自动化系博士生王庆龙与东南大学机械工程学院王乾乾教授为论文共同第一作者，东南大学机械工程学院王乾乾教授、香港中文大学医学院Yiu Ming Ip教授和香港中文大学机械与自动化系张立教授为论文共同通讯作者。
近年来，张立教授领导的团队对磁控微机器人在生物医学中的应用进行了系列工作的探索研究，取得了丰硕的研究成果，部分研究成果列举如下：
模块化磁性微机器人可实现可控拆分与组装，用于在胆管中靶向细胞治疗， 文章地址：；
基于深度学习算法，磁性微集群可在复杂环境中实现实时分布规划与自主导航，文章地址：
磁性螺旋微机器人在内窥镜辅助下可实现快速精准递送，用于根除鼓膜造口管中的菌膜，文章地址：；
具有可编程磁化和集成多功能模块的微型软体机器人可用于在胃肠道中靶向药物递送，文章地址：；
干细胞微球机器人在内窥镜辅助下可实现快速长距离递送，用于远端狭窄腔体内靶向细胞治疗，文章地址：；
磁性微集群在超声多普勒引导下可实现在血液循环系统中实时导航，用于血管内主动靶向递送，文章地址：。
1.微納機器人：從個體到集群 / 張立，俞江帆，楊立冬著. – 北京：科學出版社，2020.
王乾乾，东南大学青年首席教授、博士生导师，入选国家“海外高层次青年人才计划”，小米青年学者。主持承担国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等多项科研项目。主要研究领域包括微机器人学、微纳机械系统及其生物医学应用。近年来，以一作/通讯作者身份发表SCI期刊论文20余篇，包括Science Robotics, Science Advances, ACS Nano, IEEE Transactions系列，多篇文章入选ESI高被引论文及ESI热点论文(Top 0.1%)；在IEEE ICRA，IEEE/RSJ IROS 等机器人领域国际知名会议中发表多篇论文并做报告和主题研讨；研究成果得到Nature News、NewScientist、香港创新科技署等国内外科研院所和专业机构的广泛报道。担任IEEE Transactions、ICRA、IROS等多个专业期刊及国际会议的副编辑、客座编辑和审稿人，任《机械工程学报》、《极端制造》(IJEM)等期刊青年编委，出版Springer和 Taylor&Francis 英文专著2部。欢迎访问课题组主页：
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