細心觀察噴瓜（學名：Ecballium elaterium）釋放種子的方式，你就能明瞭它如何「瓜如其名」。準備繁殖的噴瓜會如施展「魔術」般將果肉變成黏液，黏液在果實內部漸漸膨脹直至將果實逼爆，種子便會高速地向遠處噴射出去。
香港中文大學（中大）工程學院機械與自動化工程學系張立教授領導的研發團隊注意到噴瓜獨特的播種機制，並在浙江大學及美國卡內基梅隆大學團隊給予理論與方法學建議的協助下，將大自然的奧秘轉化並應用於另一個截然不同的領域——驅動微型機械人。微型機械人通常只有幾毫米至幾厘米大，昆蟲般小的體型是它們最大的優勢，使其應用範疇愈趨廣泛，包括能被派遣進入人體內部執行醫療任務，但它的最大弱點同樣在於體型，小小身軀很難配置大功率的複雜驅動系統。
張教授解釋：「微型機械人要執行跳躍、噴射或彈射的任務，首要條件就是要讓它們在短時間內釋放足夠的驅動能量。現時微型機械人的組裝過程十分複雜，涉及整合多個不同部件，加上它們可以儲存能量的空間非常有限，其活動性能通常無法達到生物的水平。」
噴瓜神奇的播種方式卻為張教授團隊提供了靈感，助他們開發出可以提升微型機械人功率輸出的技術——破裂誘導的功率放大機制，其原理猶如當弓箭手拉開弓弦，能量逐漸累積，弓箭手鬆手一刻瞬間釋放大量能量，達至高速射擊。
團隊利用可在水中迅速溶脹的水凝膠製作彈射器，以實現破裂誘導的功率放大機制。當彈射器受到近紅外光照射時，彈射器內的水凝膠水分氣化，使得彈射器體積不斷膨脹。當能量積累至極限時就會撐破彈射器底部，像噴瓜噴射種子般以驚人的距離彈射。一個長度僅7毫米、厚度僅3毫米的彈射器，可以垂直彈射193厘米，相等於彈射器厚度的643倍，其起步速度可達至每秒7.5 米、加速度為地球表面重力加速度的2,500倍（2,500 g），性能遠超現存常規微型工程機械系統。
破裂誘導的功率放大機制有望取代現有微型機械人內的驅動部件，大幅增加其功率輸出，擴闊微型機械人在臨床醫學上的應用方式，包括深入人體深層組織執行醫療任務。雖然現時每個彈射器只可單次使用，但張教授的團隊正努力嘗試以不同物料製作可重用的新版本，冀將技術成果商品化。
張教授說：「我們目前正在探索使用不同物料，並嘗試將系統應用於醫療領域，包括協助人體內運送支架、撐起支架以及於深層組織取樣。儘管這些技術仍處於初步階段，我們期望於未來五年內實現技術商品化及廣泛應用。我們最大的挑戰是製作可重用的驅動裝置，並將其裝嵌進微型機械人內。」
此新技術除了能在臨床醫學上大放異彩，中大團隊還嘗試將其應用於農業，現已成功製造了可長距離跳躍並自動釋放種子的農業機械人原型。
使微納機械人變得更「聰明」
差之毫釐，謬之千里，控制昆蟲大小的微型機械人已殊不簡單，要控制比它們微型得多的微納機械人更是談何容易。這些只有百萬分之一米及更小尺寸的微型機械人，雖原則上能輕易游走微細且複雜的空間，但進入人體執行任務時仍困難重重：受礙於機械人本身的特性、機械人間相互作用、布朗運動粒子隨機運動等因素影響外，它們還必須於複雜的人體結構及流動的液體間隨機應變。
中大工程學院機械與自動化工程學系博士後研究員姜佳林博士表示，「上述各種難以量化的因素，解釋了為何以傳統電腦程式無法完美地控制微納機械人的移動。」
微納尺度世界如斯複雜，以至傳統的電腦程式難以完全預測及控制，而引入機器學習算法正為破解這道難題帶來曙光。張教授團隊最近發表了一篇綜述文章，展示機器學習算法如何加快開發微納機械人，包括更精準地控制這些小幫手的移動，以及更精確地處理人體內部極其複雜的實時監察圖像，以準確定位及導航機械人。
文章作者之一姜佳林博士解釋：「機器學習算法讓系統接受了大量有效的訓練後，自主地透過歸納和綜合發展出控制機械人的策略，使其不再需要依賴傳統模式—即是靠精確的模型運作，大幅簡化了控制系統的設計過程。」
無論是精準的定位、導航，還是活動控制，皆透過引入機器學習算法使不可能將變成可能，微納機械人將可以在複雜的人體結構內自主導航，提供前所未有的精確治療。這項技術革命有望降低施行傳統手術的風險並提升治療效果，開啟微創且高精準度的治療新時代。
研究全文請參閱：
Fracture-driven power amplification in a hydrogel launcher | Nature Materials
Machine learning for micro- and nanorobots | Nature Machine Intelligence
