納米機(jī)器人及其發(fā)展研究

朱團(tuán)+金爽+張利超

[摘 要]隨著納米科技的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了納米機(jī)器人技術(shù)。納米機(jī)器人涉及分子仿生學(xué)和電子控制技術(shù)的范圍，以分子水平的生物學(xué)原理來(lái)設(shè)計(jì)研制出可對(duì)納米空間級(jí)進(jìn)行操作的“功能分子器件”，研發(fā)出能操控生物分子的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)機(jī)器結(jié)構(gòu)的限制。納米機(jī)器人的研發(fā)已成為當(dāng)今科技的前沿?zé)狳c(diǎn)，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性和前瞻性，備受世人矚目，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]納米機(jī)器人；納米科技；生物醫(yī)學(xué)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.32.068

隨著納米科技的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了納米機(jī)器人技術(shù)，研制可編程的納米機(jī)器人。納米機(jī)器人涉及分子仿生學(xué)和電子控制技術(shù)的范圍，以分子水平的生物學(xué)原理來(lái)設(shè)計(jì)研制出可對(duì)納米空間級(jí)進(jìn)行操作的“功能分子器件”，研發(fā)出能操控生物分子的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)機(jī)器結(jié)構(gòu)的限制，納米機(jī)器人的研發(fā)已成為當(dāng)今科技的前沿?zé)狳c(diǎn)，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性和前瞻性，備受世人矚目，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)納米機(jī)器人的研究越來(lái)越熱，并取得了一定的進(jìn)展，部分國(guó)家已經(jīng)研制出納米機(jī)器人的樣機(jī)。美國(guó)在納米機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。紐約大學(xué)的科學(xué)家研制出一個(gè)雙足分子機(jī)器人，該機(jī)器人可以運(yùn)送原子，可以作為精密醫(yī)學(xué)的工具。加利福尼亞大學(xué)的科學(xué)家研制出一種能夠憑借自身生長(zhǎng)的肌肉行走的微型機(jī)器?？茖W(xué)家將鼠心肌細(xì)胞附著在約200μm長(zhǎng)的硅制框架上，這些心肌細(xì)胞在接近自然狀況的培養(yǎng)環(huán)境中生長(zhǎng)分裂，長(zhǎng)成了約100μm的肌肉，這些肌肉吸收溶液中的葡萄糖后就能夠自主收縮和舒張，從而帶動(dòng)硅制框架緩慢向前行走，形成了微型機(jī)器人，為納米機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的研制提供了有效方法，這種方法在醫(yī)學(xué)上能夠用來(lái)清除血管內(nèi)的脂肪斑。哥倫比亞大學(xué)研制出一種 “納米蜘蛛”微型機(jī)器人，該機(jī)器人只有4nm大小，由DNA分子構(gòu)成，能夠跟隨DNA的運(yùn)行軌跡移動(dòng)，在二維體表面可以行走100nm，可用于醫(yī)療領(lǐng)域，進(jìn)行疾病診斷、協(xié)助手術(shù)過(guò)程、清理血管垃圾等。加拿大、法國(guó)、日本、瑞士、以色列、德國(guó)等國(guó)也在納米機(jī)器人領(lǐng)域開(kāi)展了富有成效的研究工作。加拿大蒙特利爾理工大學(xué)在納米機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方面取得了進(jìn)展：在計(jì)算機(jī)控制下，成功地引導(dǎo)了一個(gè)微型裝置在活體動(dòng)脈內(nèi)以10cm/s的速度運(yùn)動(dòng)。法國(guó)國(guó)家科研中心則成功地利用特種顯微鏡儀器，讓一個(gè)分子做出了各種動(dòng)作。日本東京大學(xué)的科學(xué)家成功地將2個(gè)分子機(jī)器人組裝在一起，形成了一個(gè)分子機(jī)器復(fù)合體，紫外線和可見(jiàn)光能夠?yàn)檫@個(gè)超微型分子機(jī)器提供動(dòng)力。利用光的控制，這個(gè)分子機(jī)器人能夠充當(dāng)“機(jī)器人外科醫(yī)生”，可穿行于人體血管以及殺死癌細(xì)胞。瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室和巴塞爾大學(xué)、韓國(guó)等都研制出了不需要電池的納米機(jī)器人，為納米機(jī)器人未來(lái)在醫(yī)療中的應(yīng)用拓寬了方向。以色列的科學(xué)家發(fā)明了一種只有幾毫米大小的微型機(jī)器人，該機(jī)器人能夠憑借細(xì)小的附屬肢體在血管里附著和移動(dòng)，科學(xué)家通過(guò)在病人體外制造磁場(chǎng)來(lái)控制這些附屬肢體的動(dòng)作，所制造的磁場(chǎng)能夠使微型機(jī)器人的肢體發(fā)生振動(dòng)，并且在血管中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在納米加工或操作的自動(dòng)化裝置方面，德國(guó)曾經(jīng)研制出具有信息處理、導(dǎo)航和通信能力的微型直升機(jī)，這種基于多方面納米技術(shù)的微型飛機(jī)可以旋停、低飛、高飛，可以實(shí)現(xiàn)偵察、引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)等功能。我國(guó)納米機(jī)器人的研究工作開(kāi)展不多，研究工作主要集中在沈陽(yáng)、重慶、上海、北京等地，其中北京在生物納米機(jī)器人的部分領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

當(dāng)前生物納米機(jī)器人研究工作已從第一代生物機(jī)械簡(jiǎn)單結(jié)合系統(tǒng)（例如用碳納米管作結(jié)構(gòu)件，分子馬達(dá)作為動(dòng)力組件，DNA關(guān)節(jié)作為連接件等）發(fā)展到第二代由原子或分子裝配的具有特定功能的分子器件（例如直接用原子、DNA片斷或者蛋白質(zhì)分子裝配成生物納米機(jī)器人），未來(lái)還將向第三代包含納米計(jì)算機(jī)在內(nèi)的進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的操控性納米機(jī)器人發(fā)展。第三代生物納米機(jī)器人目前還處于設(shè)想階段。目前，在全世界范圍內(nèi)用于嚴(yán)格意義上納米加工或操作的自動(dòng)化裝置發(fā)展較少，包括以環(huán)境掃描電鏡為平臺(tái)的多功能微納操作、表征及微加工系統(tǒng)等，能對(duì)微小零部件進(jìn)行納米級(jí)加工的“納米車床”等主要還停留在概念設(shè)計(jì)階段。

2 納米機(jī)器人

一般認(rèn)為，納米機(jī)器人是根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計(jì)原型，在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，研制可編程的分子機(jī)器人。它是納米機(jī)械裝置與生物系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。當(dāng)人體某個(gè)部分感染時(shí)往往會(huì)服用或注射抗生素，但是抗生素在血液里會(huì)被稀釋，真正起到治療效果的只有一小部分藥物，大部分人則可以直接把小劑量的藥物送至感染部位，減少了副作用，還提高了治療效果。在生物醫(yī)學(xué)上，科學(xué)家還利用納米技術(shù)制造納米機(jī)器人，讓它在人的血管網(wǎng)絡(luò)中漫游，進(jìn)行巡邏和檢查，盡早發(fā)現(xiàn)異常細(xì)胞，而且可以對(duì)人體內(nèi)細(xì)胞組織進(jìn)行修復(fù)。它不僅可以完成早期診斷工作，更重要的是可以充當(dāng)微型醫(yī)生發(fā)揮治療作用，解決傳統(tǒng)醫(yī)生難以解決的問(wèn)題，如：殺死癌細(xì)胞、疏通血栓、清除動(dòng)脈脂肪沉積物等。這種簡(jiǎn)單的機(jī)器人，可以是一個(gè)人造紅細(xì)胞，約由1800 萬(wàn)個(gè)主要是碳的原子構(gòu)成，能模仿正常的充滿血紅素的血紅細(xì)胞行為，該裝置上的壓力傳感器可接收醫(yī)生的信號(hào)，在人體內(nèi)的它們還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體在不同條件下的各類信息，如不同時(shí)間人體內(nèi)不同位置處的各類化合物的水平，從而形成動(dòng)態(tài)圖像，形成了一種新的醫(yī)學(xué)成像方法。納米機(jī)器人還可以用來(lái)為人體器官做手術(shù)、為腦部動(dòng)手術(shù)等。

3 納米機(jī)器人的應(yīng)用

目前，納米機(jī)器人尚在研究開(kāi)發(fā)階段，但其潛在應(yīng)用十分廣泛，主要體現(xiàn)在醫(yī)療和軍事上。

3.1 納米機(jī)器人在醫(yī)療上的應(yīng)用

在生物醫(yī)學(xué)上，納米技術(shù)具有無(wú)限的潛力，納米機(jī)器人的研制成功成為納米研發(fā)領(lǐng)域的驕傲。納米機(jī)器人不但能夠修復(fù)細(xì)胞與基因，還能夠清除體內(nèi)垃圾、養(yǎng)護(hù)血管。

（1）細(xì)胞與基因的修復(fù)。隨著人類對(duì)物質(zhì)控制能力的不斷進(jìn)步，分子大小的機(jī)械部件將會(huì)誕生，它們可以組裝成比細(xì)胞還要小的微型機(jī)器。人工制造的“細(xì)胞修復(fù)機(jī)”在納米計(jì)算機(jī)的操縱下，可以對(duì)原子逐個(gè)進(jìn)行操作，修正DNA的錯(cuò)誤，維護(hù)個(gè)別細(xì)胞的成分，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)基因細(xì)胞的修復(fù)。

（2）清理體內(nèi)垃圾。人體是一個(gè)保持自然平衡的有機(jī)體，新陳代謝的過(guò)程可以起到吸收新鮮養(yǎng)分、排除有害物質(zhì)的作用。但有時(shí)候人體自身平衡出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自我平衡。例如，人體鉛、汞中毒后，機(jī)體無(wú)法排出，也無(wú)法分解這些元素。這時(shí)，如果讓納米機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi)，就會(huì)極具目的性地把這些有害物質(zhì)清出體內(nèi)，使人體恢復(fù)自然平衡。

（3）養(yǎng)護(hù)血管。人體的腦部血管有些地方天生脆弱，平時(shí)很難被察覺(jué)，但在意外情況下，可能會(huì)突然發(fā)生破裂，導(dǎo)致腦溢血。如果讓納米機(jī)器人事先進(jìn)入血管，仔細(xì)檢查，并且一一修復(fù)那些脆弱血管，就可以避免這類悲劇的發(fā)生。有時(shí)血管中會(huì)產(chǎn)生血栓，堵塞血液正常流動(dòng)。如果將納米機(jī)器人導(dǎo)入血管，可以把血栓打成小碎片，避免血栓的進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.2 納米機(jī)器人在軍事上的應(yīng)用

世界各國(guó)的軍備競(jìng)賽已經(jīng)延伸到了納米領(lǐng)域，各國(guó)都在探索利用納米技術(shù)進(jìn)行軍事裝備的升級(jí)與改造。多國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了有關(guān)納米機(jī)器人在軍事應(yīng)用上的探索，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）用于傳統(tǒng)的武器裝備中。納米機(jī)器人用于傳統(tǒng)的武器技術(shù)裝備，能夠改善裝備材料、工藝、控制系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存方式，提高傳統(tǒng)武器技術(shù)裝備的技術(shù)性能，使作戰(zhàn)裝備的殺傷效能得到有效提高。

（2）用于開(kāi)發(fā)新的人體作戰(zhàn)手段和方式。特殊的納米微型組件能夠堵住人體的臉、鼻、口、眼或粘住手、腳等，利用其這一特性，可以限制敵軍的活動(dòng)。

（3）研制納米武器。納米武器是納米機(jī)器人在軍事應(yīng)用上的另一個(gè)研究熱點(diǎn)，如果將納米武器注入到人造或雜交的昆蟲(chóng)體內(nèi)，昆蟲(chóng)便將這些納米武器傳播到敵國(guó)軍民的身體中，造成巨大的殺傷力。同時(shí)，納米機(jī)器人還可通過(guò)自我復(fù)制或自我繁殖的方法迅速在敵方陣營(yíng)中擴(kuò)散。隨著納米武器的誕生和大量運(yùn)用，傳統(tǒng)的作戰(zhàn)方式不斷更新，納米技術(shù)水平的高低對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)影響越來(lái)越大。

4 納米機(jī)器人發(fā)展的前景展望

在21世紀(jì)，納米科學(xué)技術(shù)將成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流。納米機(jī)器人的發(fā)展是化學(xué)、物理、生物、工程、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等多門學(xué)科發(fā)展的結(jié)果，必將促進(jìn)21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)大軍的跨學(xué)科教育。納米機(jī)器人將對(duì)21世紀(jì)初的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)產(chǎn)生深刻影響，也許可與信息技術(shù)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳生物學(xué)與分子生物學(xué)的影響匹敵。從應(yīng)用的范圍和潛力方面講，無(wú)論是軍用還是民用，納米機(jī)器人的未來(lái)是不可估量的，由于其不同的功能，高表面積與體積比，納米結(jié)構(gòu)對(duì)于化學(xué)和生物傳感器、醫(yī)療設(shè)備、觸媒、光電材料和納米元件非常重要。多種材料選擇加上不同的合成策略，產(chǎn)生了不同形態(tài)的納米材料，如納米級(jí)薄膜、納米線、納米管、納米帶、納米粒子和納米多孔結(jié)構(gòu)等。這種多功能的和多成分分層的異晶結(jié)構(gòu)是非常有用的，必將在許多方面影響我們的生活，從納米汽車到納米電子技術(shù)，隨著納米機(jī)器人技術(shù)逐漸產(chǎn)業(yè)化和日趨成熟，其產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化的前景是十分可觀的。

5 結(jié) 論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，納米機(jī)器人已經(jīng)與信息技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)等一起成為科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要方向。納米機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造已成為世界上人們關(guān)注的熱點(diǎn)，成為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展動(dòng)力。納米機(jī)器人的發(fā)展方向是多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。因此要想通過(guò)納米機(jī)器人的研發(fā)帶動(dòng)納米技術(shù)的整體蓬勃發(fā)展，還需要研究人員不斷開(kāi)拓創(chuàng)新，逐一解決研發(fā)中的各種問(wèn)題，為早日突破納米機(jī)器人技術(shù)占領(lǐng)世界技術(shù)至高點(diǎn)奠定基礎(chǔ)，最終使納米機(jī)器人早日走入人民生活，造福人類。

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