纳米机器人医生：理念、困难、前景

一、什么是纳米机器人医生

我们都去看过病。

你坐在门诊部，不耐烦的等待叫号。

然后坐在医生面前，战战兢兢的述说你的问题，生怕讲的快了慢了医生不开心。

医生问点问题，然后摸摸这里，敲敲那里，再听一听声音，看一看嗓子；然后跟你讲几句话，开个方子，让你去做检查。

你缴费、等待，然后撩起衣服，拖下鞋子，钻进机器里，或者让针头在你身上戳个洞。

又是等待。

再找医生看结果，拿方子，缴费，拿药。

回家后一天几次的吃药。幸运的话，病好了，再次生龙活虎。或者再重复以上步骤。

你总觉得这个过程还可以再改善一下：能不能不要等待，不要花钱，不要吃药，不要检查？

要是能像皇帝一样，让医生常驻在家里，时时给自己监控健康，甚至能够在疾病来临之前就解决问题。

你抽自己一个嘴巴。想什么呢？

但其实，这样的想法不是天方夜谭，从上世纪中叶开始开始，科学家和工程师们就已经在帮你努力了。

我们说的不是给每个人配一个太医院，而是开发一种能够在血液中巡游、诊断、治病、做手术的机器。

这就是纳米机器人医生。

顾名思义，纳米机器人医生就是具备医生功能的纳米尺度的机器人。1纳米，是1米的十亿分之一，是1微米的十分之一，1毫米的一千分之一。

或许你很难直观想象这些数字和背后的尺度。我举几个例子：1纳米，大概是三个原子的大小。而一个病毒，大约是几十到上百个纳米。PM2.5的灰尘大小是几个微米，红细胞也大概这么大，也就是几十纳米。头发丝大约是50-100微米，也就是500-1000个纳米粗。

不同类型的纳米机器人大小不一，粗略地说可能是几十纳米到几十微米，换句话说，就和病毒、细胞差不多大。而我们的血管粗一点的有1厘米，细一点的毛细血管甚至只有几微米粗。而对游弋在血液中的纳米机器人来说，毛细血管像走廊一样宽敞，而动脉就仿佛汪洋大海。

想像一下，成千上万的纳米机器人被注射进血液后，在血液中翻滚、漂流。而大概1米左右的人体和100纳米大的机器人间尺寸的差距，就好像地球和人一样。

这样宽广无垠的环境，给了纳米机器人大展拳脚的空间：

它们可以24小时不间断的监测血氧、血糖、血压、血脂，并把身体的各种情况不断的报告给我们，让我们在第一时间就对自己的健康了如指掌。

如果纳米机器人发现我们的身体出现了任何异常，比如发现了病原体、病变，甚至基因突变等，除了第一时间上报，纳米机器人还可以利用身上携带的各种工具和武器，消灭异物，保家卫国。

而如果有了血栓、息肉、骨质增生，甚至肿瘤等 “坏东西”， 纳米机器人还可以呼朋引伴，团结协作，或是切削，或是消融，或者释放药物，十八般兵器一起招呼，解除风险。

完成了工作，纳米机器人甚至不需要休息，继续全身心的游来游去，耳听六路、眼观八方，替我们守护健康。

而当它们到了失效的时候，我们可以让它们集合，从身体中排出来，再换新的一批纳米机器人上岗。

这简直就是把医生--不，甚至是医院--装进了我们的身体里。更厉害的是，这整个过程，甚至在我们毫不知情的情况下，纳米机器人就自己发现并解决了所有的问题！

这就是大家津津乐道、孜孜不倦研究的纳米机器人：能够在体内自由游动、并执行诊疗功能的人造微纳米器械。我知道，这些听上去很美很科幻，我也知道现在还没有这么神奇的装置。但几十年来，来自全球各地、各个领域的无数科学家和工程师，正在奋勇争先，梦想能够攻克这个纳米技术的圣杯。

二、开发纳米机器人医生的关键问题

以上描述的这种纳米机器人，足以被称为划时代的变革性技术。一旦开发成功，会让医学发生翻天覆地的变化，并对整个社会和人类文明的发展产生极为深远的影响和冲击。

当今世界，纳米技术突飞猛进，芯片厂商都已经在开发几纳米的芯片了；而一些公司制造的机器人也可以上天入地，飞檐走壁。既然如此，那强强联手，制造出纳米机器人似乎也不是不可能的任务。

此外，虽然医学发展远远谈不上包治百病，但我们现在所掌握的先进的诊疗理论和方法，远非几十年前可比。因此，投入足够的经费和人力，似乎足以把最前沿的诊疗工具安装到精密制造的纳米机器人上，然后注入到人体内，实现上面这些科学幻想般的场景。

那为什么2022年，我们在医院还见不到纳米机器人？究竟是什么制约了这项技术的发展呢？

如同电、计算机、互联网等其他变革性的技术一样，纳米机器人的发展也遇到了基础科学和工程技术两方面的重重挑战。虽然过去的二十年里，纳米机器人的研究获得了爆炸式的发展，但仍然有一些关键的科学和技术问题亟待突破。

从根本上，纳米机器人面临以下两大核心困难：

-“粘稠的水”

首先，纳米机器人医生是游弋于血液和体液中的。我们都很熟悉宏观世界的水，它时而温柔，时而狂躁，时而清澈，时而混沌。然而，我们从来不会觉得水很“粘稠”。例如，如果一门课没有内涵，内容“稀薄”，我们会说它很“水”。

而在微观世界，物体通常很小，动的也很慢，所以惯性非常小。相比之下，“稀薄”的水仿佛也变得十分粘稠。这样的流体环境，我们叫做“层流”：流体很平静、很“丝般润滑”。请想象一下从瓶子里往外倒糖浆或者蜂蜜的时候，那种流体的状态。微纳米尺度的细菌、细胞、病毒，以及我们的纳米机器人所面对的液体环境，正是如此。

可是丝滑、平静的流体不正利于机器人游动吗？难道它更喜欢波涛汹涌的环境？

可怕的不是“丝滑”，而是“粘稠”。

想象一下我们的轮船、汽车是如何运动的：马达、电机让车轮、桨叶旋转，克服摩擦，推动物体向前运动。这样的驱动方式蕴含着两个根本要素：一、因为有惯性，所以马达、电机虽然循环往复动，也可以让物体向前运动；二，还是因为有惯性，因此不需要一直推动物体，也能够让物体保持向前运动。

而在微观世界的“层流”中，物体的惯性非常小，液体很粘稠，所以上述两个效应都失效了：

循环往复的驱动方法（例如发动机、桨叶，甚至人的游泳姿势）都无法让物体前进，而只会在原地进-退-进-退。诺贝尔物理学奖获得者E. M. Purcell在1973年给这样的问题起了个名字，叫做“扇贝定律”：即在微观尺度，像扇贝那样循环往复的开闭壳，是没办法游动的。“扇贝定律”意味着需要开发全新的方法来让纳米机器人游动。

扇贝定律 [Bechinger, C.; Di Leonardo, R.; Löwen, H.; Reichhardt, C.; Volpe, G.; Volpe, G. Active Particles in Complex and Crowded Environments. Rev. Mod. Phys. 2016, 88 (4), 045006–045050.]

对于宏观世界的汽车、轮船来说，烧一会儿燃料再关闭，车和船也能继续前进，因此不必一直消耗燃料。然而，在微观液体中，由于惯性很小，一旦撤去驱动力，物体会几乎瞬间停止运动，而不会再向前“滑行”。因此，纳米机器人每时每刻都要“开着发动机”，这要额外消耗大量的能量。除了低效以外，还产生了其他问题：这么多的能量从哪来？是自己携带还是从环境中提取？是否会排放废物？有没有发热问题？

-“狂躁的水”

刚刚提到，在微观尺度，水看上去像“丝般顺滑”，仿佛糖浆一样粘稠。但这只是表象。再放大一千倍、一万倍，我们会看到无数水分子在疯狂劲舞，好像在迪厅一样彼此碰撞。此时如果有一个纳米机器人混迹其中，就会被热舞的水分子撞得七扭八歪。

布朗运动【www.baike.com】

1872年，英国植物学家罗伯特·布朗首次观察到悬浮在水中的花粉颗粒的运动轨迹是无规则的。后人就把这种被水分子（或者其他环境中的粒子）撞击所产生的随机运动称为“布朗运动”。

水表面上柔顺，内心狂野，所产生的布朗运动对纳米机器人来说，可能是致命的。因为上面提到的任何一种纳米机器人的应用，不论是监测、释药、微手术这种操作，还是简单的巡游、前往特定的目的地，都需要纳米机器人能够控制运动的速度和方向。

如果汽车和潜艇在运行过程中被周围的物体撞来撞去，时快时慢，忽左忽右，那简直就是噩梦一样的场景。布朗运动就是这样的噩梦。

更糟糕的是，布朗运动不仅无法消除，而且物体越小布朗运动越强烈。这也好理解：在舞厅里走来彪形大汉，可能大家怎么撞都不会移动分毫；而身材弱小的人却会被撞的七荤八素、行迹飘忽。

因为纳米机器人尺寸很小，它受到的布朗运动非常强烈。可以简单的估算出，直径100纳米的机器人，在1秒钟之内会被布朗运动“撞”出1.5倍身长距离之外。所以，纳米机器人在血液中不会走直线，而是会像一个醉汉一样，在血液中东游西荡。这就对控制提出了严峻的挑战。

我们恐怕不希望肚子里有个“醉汉”医生吧！

三、纳米机器人医生的现在和未来

粘稠的水，狂躁的水，为纳米机器人的驱动和控制提出了根本性的挑战。近二十年来，围绕着开发有效的驱动机制，和开发控制纳米机器人运动和速度的方法，已经产生了大量的研究成果。但除了这两个问题，针对纳米机器人医生在体内的诊疗应用，还有许多困难尚未解决。

其中，有些困难是科学难题，例如让纳米机器人在体液环境中高效驱动的新机制、纳米机器人集群协作机制、纳米机器人与生物环境的交互规律等。有些困难是技术难题，例如提高成像手段的空间和时间分辨率（也就是让相机能够看到很小的机器人，并且能够很快的捕捉它们的运动），开发能够在体内实时操控纳米机器人的方法，提升纳米机器人的生物相容性等。本系列的后续文章还会详细讨论这些问题的科学、技术内涵，和目前学术界的进展与挑战。

相比起上世纪中叶纳米机器人医生刚刚出现在科幻小说和电影中的时候，我们现在对纳米机器人的了解已经不可同日而语。科研人员开发出了许多种利用化学燃料、电场、磁场、光、超声波等方法驱动的机器人，并且成功的将它们植入了小鼠、兔子体内，实现了药物的可控释放、体内成像、光热治疗等功能。按照这样的发展速度，在可预见的将来，或许真的能够实现本文开头的关于纳米机器人医生的想象！

微纳米机器国际会议合影

未来是多久？现在并不好说，说不定还需要几代人的努力。正在读本文的青年科学爱好者们，真诚的欢迎你们加入我们，为解决这个21世纪皇冠上的问题而努力，为改变人类社会的命运而努力！