微型機器人的運作尺寸在毫米級。它足夠小，可以進入人體血管，在管道中爬行，或與其他數千個微型機器人組成集群。它們面臨的挑戰與大型機器人截然不同。在微小尺度下，物理定律會改變。重力的影響較小，表面張力和摩擦力成為主導因素。

研究人員利用微機電系統（MEMS）製造、軟光刻和磁性材料製造微型機器人。有些微型機器人由外部磁場驅動，有些則利用化學反應或聲波驅動。磁性微型機器人可以透過體外線圈系統在流體中控制其運動。催化微型機器人則透過將過氧化氫轉化為氧氣泡來推進自身。

微型機器人應用

• 靶向體內藥物輸送。
• 顯微外科手術和細胞操作。
• 管道檢測與維修。
• 水體環境感測。
• 群體研究與群體行為。

障礙在於動力、控制和成像。電池無法小型化。微型機器人無法攜帶自身電源，因此需要依賴外部電場或化學燃料。由於布朗運動會使機器人產生晃動，控制精度不高。體內成像需要磁振造影或超音波，這限制了即時回饋。微型機器人尚未應用於臨床，但它們已從科幻小說走向實驗室演示。像是米粒大小、能在血液中游動並將藥物輸送到腫瘤的機器人尚未問世，但正在逐步接近目標。