[科普中国]-纳米机器人

发展综

早在1959年率先提出纳米技术的设想是诺贝尔奖得主、理论物理学家理查德-费曼，他提出利用微型机器人进行治病的想法。理查德-费曼在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：人类将来有可能建造一种分子大小的微型机器，以分子甚至单个的原子作为部件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。

随着技术的发展，理查德-费曼的想法正在逐渐被实现。1981年，格尔德-宾宁（G．Binnig）及海因里希-罗雷尔（H．Rohrer）在IBM位于苏黎世的实验室发明了扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope,STM），随后，G.Binning等人又在STM的基础上发明了原子力显微镜（Atomicforcemicroscope,AFM）[。从此，人类能够观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，还可以在低温下（4K）利用探针精确操纵原子，它们既是纳米科技的重要测量工具又是加工工具。自此，人类开始进入纳米时代，纳米机器人的概念也就应运而生。

所谓纳米机器人，是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的"功能分子器件"1。从技术层面讲，纳米机器人分为两类：一类是体积为纳米级的纳米机器人，一类是用于纳米级操作的装置2。限于技术水平，目前并没有真正意义上的纳米级体积、可控的纳米机器人，而用于纳米级操作的装置，只要求装置的末端操作尺寸微小精确即可，并不要求装置本身的尺寸是纳米级的，与常规机器人类似，因此发展较快，比如STM和AFM。3

国外研究现状纳米蜘蛛机器人2010年5月，美国哥伦比亚大学的科学家成功研制出一种由脱氧核糖核酸（DNA）分子构成的纳米蜘蛛机器人，如图1所示。这种机器人能够跟随DNA的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止，并且他们能够自由地在二维物体的表面行走。这种纳米蜘蛛机器人只有4纳米长，比人类头发直径的十万分之一还小。

科学家通过编程，能够让纳米蜘蛛机器人沿着特定的轨道运动。这一研究成果表明：一旦被编程，纳米蜘蛛机器人就能自动完成任务，而不需要人为介入。因此，纳米蜘蛛机器人被认为是用于医疗事业、帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的、帮助人们完成外科手术、清理动脉血管垃圾等领域的最理想工具。当然，科学家还在不断地对纳米蜘蛛机器人进行改进，他们的目标是：在未来创造大量这种纳米机器人，让他们自动且不间断地在身体内巡逻，寻找各种疾病信号，为医生做出更精确的诊断提供依据。

纳米磁性粒子不久前的"WSJD在线"全球技术大会上，谷歌实验室生命科学小组负责人安德鲁-康拉德透露，谷歌正在设计一种纳米磁性粒子，这种粒子可以进入人体循环系统，进行癌症和其他疾病的早期诊断。纳米磁性粒子，其实就是纳米机器人。当你感冒发烧，医生在你的血液里植入纳米机器人，这种机器人在体内探测感冒病毒的源头，并达到病毒所在处，直接释放药物杀灭病毒。不光是感冒发烧，在同样机理下，精确找到并杀死癌细胞、疏通血栓、清除动脉内的脂肪沉积、清洁伤口、粉碎结石等，都会是纳米机器人的拿手好戏。更为不可思议的应用，是将纳米机器人当作媒介，连接人脑神经系统和外界网络系统，为开发人脑智力和潜力带来无法想象的革命，彻底改变生活和工作方式，甚至是人类本身。

虽然想象无比美好，美国、日本等一些研究机构也都成功研发出了应用于各种疾病检测治疗的纳米机器人，但迄今为止，纳米机器人技术依然停留在研发试验阶段，还没有哪个项目的成果真正进入临床。

基因修复纳米机器人美国佛罗里达大学化学副教授查尔斯和医学院胃肠道及肝脏研究主席、病理学教授刘晨领导开发出一种瞄准肝脏中C型肝炎病毒的纳米机器人，称为"纳米酶"，它是由黄金纳米粒子作主支架，表面主要是两种生物成分：一种能破坏有"基因传令官"之称的mRNA（信使核糖核酸）的酶，而mRNA可制造导致疾病的蛋白质；另一种是DNA（脱氧核糖核酸）低核苷酸大分子，能识别目标遗传物质，并通知它的酶伙伴来执行任务。"纳米酶"还可通过剪裁来匹配攻击目标的遗传物质，并利用身体固有的防御机制潜入细胞内而不被觉察。实验中，这种新式纳米粒子几乎能根除C型肝炎病毒感染，可编程性还让它们有可能抵抗多种疾病，如癌症及其他病毒感染。研究人员指出，这种纳米机器人还需要进一步实验以确定其安全性，将来可能采用口服药丸的形式。

国内研究现状中国科学院沈阳自动化所研制成功一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机，并通过了国家"863"自动化领域智能机器人专家组的验收。这台"纳米微操作机器人"能在一块硅基片上2平方微米(一微米为百万分之一米)的范围内清晰刻出"SIA"三个英文字母(沈阳自动化所的缩写)。另一个演示显示，机器人成功将一个4微米长、100纳米粗的碳纳米管，准确地移动到了一个刻好的沟槽里，也就是说，该机器人误差不超过千万分之一米。在纳米尺度上的操作，被称为"纳米微操作"，是纳米技术的重要内容，其目的是在纳米尺度上按人的意愿对纳米材料实现移动、整形、刻画以及装配等工作。这台机器人系统在纳米尺度下的系统建模方法、三维纳观力获取与感知及误差分析与补偿方面有很多突破与创新。

尽管如此，但我国纳米技术研发力量比较分散，难以形成规模优势。研发力量主要集中在津京地区的高等院校和科研院所。企业介入纳米技术的研发领域占5%，力量薄弱且层次不高。80%的研发力量集中于金属和无机物非金属纳米材料，高分子和化学合成材料等方面。但在较低层次的纳米材料领域，就集中了一半以上的研发力量，在纳米核心技术--纳米电子、纳米机械、纳米生物、医药、纳米检测等重要领域，力量薄弱。

各领域应用纳米机器人是纳米技术中重要的研究课题之一。纳米机器人的出现引起了世界上工业先进国家的广泛重视。在美国,2002年用于研究纳米技术的资金达到5.19亿美元,其中有0.5亿美元专供美国宇航局(NASA)开发纳米机器人使用。日本、德国、瑞士和荷兰也紧跟其后。,在2010年以后,人们就能见到实用的纳米机器人,并将在各领域中加以应用,从信息科技到生物科技,从医药学到航天航空,将处处都能见到纳米技术———纳米机器人的运用。

医学领域纳米技术可以在3个方面与医学相结合:

(1)高灵敏度、精确的生物纳米结构与特性的探测技术,如疾病早期诊断的纳米传感器系统;

(2)治疗药物的纳米化以及新型药剂学的发展;

(3)结合微创医疗的精细治疗手术,如血管内的纳米机器人手术等。

纳米技术的发展将使未来的医学进入超微时代,而纳米技术在医学领域的应用将开始形成一门新兴的应用科学———纳米医学(nanomedicine)。纳米技术与仿生学结合研制的纳米医用机器人将会给人类医学带来巨大的变革。不久前,美国纽约大学研制出1台纳米机器人,该机器人的手臂是用两个DNA分子制作的,可以自如地在固定的位置间旋转。最近,瑞典也研制出1台纳米医用机器人,该机器人的手臂、肘部和腕部均十分灵活,且有2～4个十分灵巧的手指。

纳米医用机器人可以遨游于人体内,能在血液和细胞介质中工作,也能在血管中游走。因此,它们可以用来捕捉和移动单个细胞,也可以用来清除血管壁甚至心脏动脉上的脂肪沉积物,激发血细胞的活性,完成医生不能完成的血管修补等“细活”。纳米医用机器人也可以进入人体组织的间隙里清除病毒细菌或癌细胞,

甚至可以代替外科手术,修复心脏、大脑和其他器官等,并可作整容手术。在不久的将来,被视为当今疑难病症的艾滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解。纳米医用机器人可在人体血管中穿行,可以准确地探测到病变发生的位置,并且可以针对单个的病变细胞释放精确剂量的药物,将药物的副作用降到最低程度,以达到最快最佳的疗效;同时,可以探测人体内化学和生物化学成分的变化,适时地释放药物及人体所需的微量物质,改善人体的健康状况。这将是21世纪内科疾病治疗的革命。当然,它们也可以用来对人体进行定期的健康检查。4

军事领域未来的军事力量及未来的战争都将越来越取决于一个国家在新式武器研发中科学技术的含量。那种完全依靠人海战术的战争将一去永不复返。

军用纳米机器人,俗称为“蚂蚁士兵”,是一种比蚂蚁还要小的靠太阳能电波驱动的具有惊人破坏力的机器人。它们可以通过多种途径潜入敌方的军事要害部门(司令部、兵工厂、元首办公室和秘密基地等)开展侦察活动,甚至直接攻击目标。比如,用特种炸药引爆目标,破坏敌方的电子设备与电脑网络(如使其短路毁坏),施放各种化学制剂(如使金属变脆、油料凝固,或使敌方人员神经麻痹失去战斗力),甚至埋设微型地雷和充当爆破手。这种纳米机器人还可以充当潜伏特务,隐藏在主机设备中可以长达数十年之久;平时相安无事,无声无息,一旦战事爆发,通过微型遥控装置可以诱发它们群起而攻之,迅速破坏敌方作战系统。4

前景展望在21世纪，纳米科学技术将成为科学技术发展的主流。纳米机器人的发展是化学、物理、生物、工程、医学、材料科学等多门学科发展的结果，必将促进21世纪科学技术。目前，纳米机器人尚在研究开发阶段，但其潜在应用十分广泛的跨学科教育。纳米机器人将对21世纪初的经济与社会产生深刻影响，也许可与信息技术、细胞生物学、遗传生物学与分子生物学的影响匹敌。从应用的范围和潜力方面讲，无论是军用还是民用，纳米机器人的未来是不可估量的，由于其不同的功能，高表面积与体积比，纳米结构对于化学和生物传感器、医疗设备、触媒、光电材料和纳米元件非常重要。多种材料选择加上不同的合成策略，产生了不同形态的纳米材料，如纳米级薄膜、纳米线、纳米管、纳米带、纳米粒子和纳米多孔结构等。这种多功能的和多成分分层的异晶结构是非常有用的，必将在许多方面影响我们的生活，从纳米汽车到纳米电子技术，随着纳米机器人技术逐渐产业化日趋成熟，其产业化和市场化的前景是十分可观的。5

虽然迄今为止尚无纳米机器人真正进入我们的生活，但它们对人类生活的影响是显而易见的，尤其是在医疗领域，许多目前尚无有效疗法的绝症在纳米机器人面前，将会被彻底治愈，人类将会减少疾病所带来的痛苦，人的寿命也将得到延长。同时，在探索纳米机器人的路上，我们需要时刻记住，纳米机器人的研发存在相当大的困难，短期内不一定能有成效，我们只有坚持不懈的进行攻关，不断试验，方可获得成功。