众所周知，精子（俗称小蝌蚪）指的是男性或其他雄性生物的生殖细胞，与卵子结合时形成受精卵，进而发育为胚胎，其形状与一般细胞有很大差异。各种动物的精子可以分为典型和非典型两类，典型的一般为蝌蚪状，头部近圆柱形（各种动物不尽相同），尾部细长，如鞭毛。
研究发现，利用微型机器人进行微创外科手术和靶向治疗时，可以降低干预水平，并将药物集中在某些位置而降低副作用。但是，需要这些机器人克服以下障碍：
（1）在外部刺激（超声等）影响下进行可控的运动；
（2）通过医学成像系统进行定位时提供相对较高的对比度-噪声比；
（3）将东西运送到所需位置；
（4）需由具有一定生物相容性的元素组成。
在使用精子细胞的生物混合方法中，活动细胞被捕获在微管中，细胞向流体施加推进力，而微管则提供了磁偶极子来进行方向控制。此外，精子微马达还可以将抗癌药物局部递送给癌症球体。因此，新型的微型智能机器人或将有效克服上述问题。
基于此，德国德累斯顿技术大学的Veronika Magdanz和荷兰特温特大学的Islam S. M. Khalil（共同通讯作者）等人报道了一种由精子为模板的生物混合型磁性微型机器人，该机器人是由非运动性牛精细胞和磁性氧化铁纳米颗粒通过静电自组装来构建的。将生物实体整合到微型机器人中，除形状模板化外，还具有容易吸收化学治疗剂以实现靶向药物递送等优势。利用一步静电自组装技术来制IRONSperms，模仿运动精子细胞运动的软磁微泳。
其中，电子显微图显示了100 nm氧化铁颗粒附着在细长的牛精子细胞的头部、中间片、主要片和远端。实验和理论预测表明，在8 Hz的激发频率和45°角度下，IRONSperms的运动速度超过0.2 body length/s（6.8±4.1 μm/s）。所有IRONSperms的特征均在于具有纳米颗粒覆盖的区域和未涂覆的区域，这些区域可确保灵活性，同时为磁驱动和可控鞭毛推进提供磁矩。纳米颗粒涂层改善了有机体的回声性，并可以通过超声图像进行定位，而有机体中装有药物并使用受控磁场沿参考轨迹可控地操纵。此外，作者还确认了这些微型机器人的生物相容性和载药能力，以及它们作为体内靶向治疗的生物相容性、可控性和可检测性生物杂交工具的能力。
【图文解析】
IRONSperms由外部磁场在纳米颗粒聚集体位置施加的弯矩驱动。这些弯矩引起行波，从头部传播到远端，产生净推力将IRONSperm向前推动。因此，鞭毛的柔性是实现波传播所必需的，并通过允许样品停留在表面上进行测试。一旦粘附在表面上，施加磁力就可以观察IRONSperm的柔性。鞭毛在远端位置固定的情况下变形，如图2C所示。因此，IRONSperm的鞭毛在基于静电的自组装后仍保持其灵活性。图2B中所示的运动是由于（1）IRONSperm在旋转磁场的作用下发生刚体旋转；（2）在挠性鞭毛的作用下沿螺旋鞭毛的螺旋行波引起的。在文中，作者在3≤f≤11 Hz的频率范围内施加旋转磁场。
在每个频率处，整个波形的最大振幅被测量为运动包络线之间的垂直距离，如图3左图的虚线所示。在f=3 Hz时，最大振幅测量为37 μm。在5 Hz和7 Hz的驱使频率下，振幅减小到大约30 μm。随着频率的增加，观察到整体波形在9 Hz和11 Hz时按比例缩小并分别减小至23和18 μm。因此，作者将IRONSperm推进归因于沿着其柔性鞭毛的行波。图3还显示了在3≤f≤11 Hz的致动频率范围内，基于测得的波形，沿着鞭毛计算出的切线角。
类似精子细胞，IRONSperms显示平面3D或螺旋3D鞭毛波。在平面鞭毛波的情况下，将约束在平面上周期性磁场用于推动IRONSperm运动。而螺旋鞭毛波，具有锥角（αm）的周期性平面外场使磁头能够跟随有限的球面度。根据磁化分布实验和测得的磁性能，将每个段的测得磁化强度输入到流体动力学模型中。在f=1 Hz和α=15o时，随时间变化的鞭毛变形，传播波的最大振幅为2 μm，产生的净推力忽略不计。对于f=1 Hz和α=30°，观察到了类似的响应，并且振幅为4 μm的传播波位移为零。当f=1 Hz且α=45°时，传播波的振幅增加到6 μm，产生了净推力，以2 μm/s的速度向前推动IRONSperms。因此，相对较大的锥角将使传播波的振幅最大化并增强推进力。
虽然纳米颗粒聚集体覆盖了约51%，但是IRONSperms和运动性精子细胞的鞭毛推进显示出良好的相似性。其中，IRONSperms的代表性鞭毛波形，如图5所示。在文中，作者使用三轴亥姆霍兹电磁线圈以2 Hz的激发频率施加周期性磁场。首先，在连续拍周期内测量随时间变化的尾巴变形，并测量头部和远端的振幅。与头部相反，远端的振幅从t=0 s时的21.2 μm减小到t=13 s时的7.9 μm。在试验中，平均运动速度测得为10.8 μm/s。远端附近的波形幅度几乎是头部附近的幅度的两倍，证明了发生不对称形状变形。
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