納米機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展

張楚熙

摘要 機(jī)器人是一種可編程的、能執(zhí)行某些操作或移動動作的自動控制機(jī)械。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)等的快速發(fā)展，近二十多年來，機(jī)器人開始被廣泛應(yīng)用于軍事、航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，發(fā)揮著越來越重要的作用。

【關(guān)鍵詞】納米機(jī)器人 基本結(jié)構(gòu) 研究

1 納米機(jī)器人綜述

近幾年來，隨著相關(guān)技術(shù)與設(shè)備的突飛猛進(jìn)，微納領(lǐng)域科學(xué)與技術(shù)的研究非常活躍，使得相關(guān)電子器件不斷小型化，并推動了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域的迅速發(fā)展，從而大大促進(jìn)了醫(yī)用機(jī)器人的微型化，精密化，為實(shí)現(xiàn)可以在人體內(nèi)部環(huán)境下工作的微型機(jī)器人莫定了基礎(chǔ)。

簡單地來講，納米機(jī)器人就是納米級或分子級可控的機(jī)器，由納米部件組成，通過發(fā)揮自身在尺寸上的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)特定的功能。盡管由于在規(guī)模和材料上的差異，納米機(jī)器人的原理與構(gòu)成和宏觀機(jī)器人有著諸多差異，但二者在設(shè)計(jì)和控制技術(shù)上卻有著許多相似之處，包括具有類似功能的傳感器、驅(qū)動器，以及為提高工作精度所采取的閉環(huán)控制策略。因此，在納米機(jī)器人的研究過程中，我們可以利用宏觀機(jī)器人的相關(guān)知識進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

2 納米機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)

隨著納米科技的發(fā)展以及在制造，計(jì)算，傳感器以及控制技術(shù)上的新技術(shù)新方法的不斷涌現(xiàn)，納米機(jī)器人的制造和控制已經(jīng)成為了可能?？紤]到未來納米機(jī)器人所工作的主要環(huán)境（人體內(nèi)）的復(fù)雜狀況，納米機(jī)器人的制造需要借助于超大規(guī)模集成電路（VLSI）以及納米科技上的最先進(jìn)技術(shù)，在納米機(jī)器人內(nèi)部的微小結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)包含數(shù)據(jù)上傳輸接收、傳感器以及能源供給等多種功能的集成電路。集成后的納米電子電路可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字與模擬信號的讀取與處理，并實(shí)現(xiàn)與其他機(jī)器人及外界控制裝置的通訊。

下面，我們將從幾個方面，介紹一下納米機(jī)器人的各個組成部分，以及各部分功能的實(shí)現(xiàn)原理。

2.1 VLSI及納米電子電路

納米機(jī)器人的核心之一無疑是其內(nèi)部的納米級電路。近年來，隨著納米電子領(lǐng)域的進(jìn)步，相關(guān)的電路工作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎南陆盗?0%，使得一直以來困擾納米電子器件得到了一定程度的緩解，從而為納米電路的大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。

2.2 化學(xué)傳感器

對用于疾病檢測領(lǐng)域的納米機(jī)器人來說，實(shí)現(xiàn)對人體內(nèi)部某些特定結(jié)構(gòu)的生物大分子的檢測是十分重要的。這可以幫助醫(yī)生在疾病的早期階段就確診疾病，從而有針對性地制定治療方案，顯著提升疾病的治愈率。而用于生物大分子探測的納米化學(xué)傳感器可以有效實(shí)現(xiàn)這一功能。

2.3 溫度傳感器

在病人的體內(nèi)組織發(fā)生病變時(shí)，病變部位的溫度會發(fā)生顯著的變化，因此，基于納米電路的溫度傳感器在人體內(nèi)部環(huán)境的溫度檢測中有著潛在的應(yīng)用。配備了溫度傳感器的納米機(jī)器人可以為識別確定患病部位，并為藥物的精準(zhǔn)運(yùn)輸提供指引。

2.4 驅(qū)動器

根據(jù)應(yīng)用場合的不同，納米機(jī)器人的驅(qū)動器大致可以分為以下幾種：電磁式、壓電式、靜電式和熱電式。而隨著生物技術(shù)的發(fā)展，基于仿生學(xué)原理的鞭毛狀驅(qū)動器和ATP驅(qū)動的生物分子馬達(dá)也被認(rèn)為有著一定的應(yīng)用價(jià)值。近年來，分子級別驅(qū)動器（“分子馬達(dá)”）的研究領(lǐng)域有了突破性的進(jìn)展，在這一領(lǐng)域作出突出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家也因此獲得了2016年度的諾貝爾化學(xué)獎。

近年來，在人工組裝的分子機(jī)械領(lǐng)域已取得了較大的進(jìn)步。人們已經(jīng)可以較為精確地將分子放置到指定的位置，并利用原子之間的化學(xué)鍵執(zhí)行旋轉(zhuǎn)等一系列運(yùn)動。但由于我們對于分子機(jī)械工作原理的了解還十分有限，在分子機(jī)械的力學(xué)和運(yùn)動特征上的研究還處在入門階段，還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)對分子機(jī)械的定量分析，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)可以執(zhí)行準(zhǔn)確動作的分子機(jī)械。

2.5 供能裝置

對于一個在人體內(nèi)部執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的醫(yī)用納米機(jī)器人來說，為實(shí)現(xiàn)在人體內(nèi)部長時(shí)間高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)，就需要一個清潔可控并能連續(xù)運(yùn)行的能源供給裝置。由于納米機(jī)器人內(nèi)部的空間有限，且納米機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境較為特殊，因此需要外界電源通過無線供電手段進(jìn)行小功率連續(xù)供電。

2.6 數(shù)據(jù)傳輸

在深入人體的納米機(jī)器人上植入微型傳感器可以感知病人的環(huán)境的細(xì)微變化，為制定更加有效的治療方案提供保證。但有一個問題也隨之而來，那就是如何與人體內(nèi)部的納米機(jī)器人建立通訊，得到體內(nèi)傳感器所接收到的信號。如果需要將納米機(jī)器人移出體外進(jìn)行讀取，不僅會造成不必要的拖延，貽誤治療時(shí)機(jī)，同時(shí)還需要在機(jī)器人上安裝數(shù)據(jù)存儲裝置，壓縮其內(nèi)部本就有限的空間。因此，在機(jī)器人上安裝數(shù)據(jù)傳輸裝置，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的數(shù)據(jù)讀取和接收，就成了自然而然的選擇。

3 納米機(jī)器人的應(yīng)用

由于納米機(jī)器人的獨(dú)特功能，使得它深入到人體內(nèi)，為病人提供全新的治療方案。因此，將納米機(jī)器人應(yīng)用到治療領(lǐng)域被認(rèn)為是醫(yī)學(xué)發(fā)展歷史上的一次重大進(jìn)步。近年來，在生物分子計(jì)算和納米電子領(lǐng)域的進(jìn)步，為納米級別處理器的出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。而在其他方面，納米級別的生物與化學(xué)傳感器，以及納米機(jī)器人的動力系統(tǒng)的研究，也在近年來取得了一定進(jìn)步。由于納米機(jī)器人自身的微小尺寸，這項(xiàng)技術(shù)被認(rèn)為在如下幾個方面具有廣闊的應(yīng)用前景，一是通過識別人體內(nèi)部的一些化學(xué)信號的變化，在一些重大疾病的早期階段進(jìn)行診斷，并在病情惡化之前提供更加有效的治療方案，從以較低的治療成本根除相應(yīng)的疾病;或是利用自身的微小尺寸，深入到患者體內(nèi)，進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)或是將藥物分子或免疫細(xì)胞傳送到指定位置，以輔助治療與免疫過程的進(jìn)行。納米機(jī)器人在這兩方面的應(yīng)用，可以為患者提供更加個性化的治療方案，并利用自身的微小尺寸深入到細(xì)胞內(nèi)部，幫助醫(yī)學(xué)研究者從分子層面上實(shí)現(xiàn)對疾病的認(rèn)識。下面，我們將從幾個方面簡要談一談納米機(jī)器人在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

3.1 納米牙醫(yī)學(xué)

傳統(tǒng)的牙科治療過程往往需要在患者的病上進(jìn)行修補(bǔ)，或是直接將其替換為假牙，整個過程不僅痛苦，而且修復(fù)后的牙齒與天然牙齒在材料上存在一定的差異，對整體的美觀度有著一定的負(fù)面影響。而納米機(jī)器人可以在不產(chǎn)生痛覺的情況下對牙齒組織進(jìn)行修補(bǔ)，或調(diào)整牙齒的不規(guī)則排列，并在治療過程中提升牙齒的耐久性，因此在牙科領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在納米牙醫(yī)學(xué)技術(shù)中，納米機(jī)器人可以通過分子級別的物質(zhì)組裝，更換包括外部的牙釉質(zhì)以及內(nèi)部的細(xì)胞組織在內(nèi)的牙齒各部分組織，甚至在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對于整個牙齒的更換。

3.2 基因療法

納米機(jī)器人自身微小的結(jié)構(gòu)特征是它得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，使它可以深入到細(xì)胞內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞內(nèi)生物大分子結(jié)構(gòu)特征的檢測和修飾。這為深入患者細(xì)胞核內(nèi)部，直接修改患病基因的基因療法的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

3.3 體內(nèi)運(yùn)輸

由于納米機(jī)器人自身的特殊性質(zhì)以及微小尺寸，它在藥物運(yùn)輸領(lǐng)域擁有巨大潛力，被認(rèn)為能實(shí)現(xiàn)將藥物分子直接通過循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)交疾〗M織的功能。這在減少用藥量、提高治療效率的同時(shí)，也能夠減少藥物的毒副作用以及隨之而來的對健康細(xì)胞的損害，這被認(rèn)為在癌癥的化學(xué)療法中有著廣闊的發(fā)展前景。

3.4 疾病檢測

深入人體各關(guān)鍵部位，對化學(xué)信號的變化進(jìn)行監(jiān)測，是納米機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的另一項(xiàng)重要應(yīng)用。隨血液系統(tǒng)在人體內(nèi)部循環(huán)的納米機(jī)器人可以在不抽血的情況下被用于檢測糖尿病人體內(nèi)的血糖濃度，或是檢測某些關(guān)鍵化學(xué)物質(zhì)的細(xì)微變化，及早發(fā)現(xiàn)某些重大疾病的先兆。

4 納米機(jī)器人領(lǐng)域前沿科技

作為一個尚處于發(fā)展階段初期的領(lǐng)域，在納米機(jī)器人領(lǐng)域中的研究中仍然有許多的工作有待完成。但與宏觀的機(jī)器人相類似，作為一個多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，在相關(guān)學(xué)科包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子科學(xué)和納米科學(xué)等領(lǐng)域中的進(jìn)步，同樣會推動在納米機(jī)器人領(lǐng)域的進(jìn)步。下面，我們將選擇深度學(xué)習(xí)與微納探測和加工技術(shù)兩個方面.來談一談現(xiàn)階段在納米機(jī)器人領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

4.1 深度學(xué)習(xí)在納米傳感器中的應(yīng)用

由于納米機(jī)器人的微小尺寸所限，安裝在納米機(jī)器人上的傳感器通常只能檢測單個分子量級的信號，同時(shí)由于傳感器的工作環(huán)境通常是密度較高的液體環(huán)境，因此在檢測過程中將會產(chǎn)生規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)流。這些數(shù)據(jù)流通常是將化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電流、電導(dǎo)率等參數(shù)的變化，是一個一維隨時(shí)間變化的信號。通常認(rèn)為對這一類數(shù)據(jù)的分析是很有難度的，這不僅是因?yàn)閿?shù)據(jù)量的龐大，同時(shí)也因?yàn)槲覀儗τ谒幚硇盘柕奶卣鞯牧私獬潭扔邢蓿狈晒┳R別提取的明顯特征，而工作在液體環(huán)境中的化學(xué)傳感器需要接受大量噪聲信號，輸出得到的信噪比較低，因此在信號處理過程中，我們通常需要借助一些特殊的數(shù)據(jù)處理方法，以提取得到有用信息，用于之后進(jìn)一步的應(yīng)用。

4.2 微納測量加工設(shè)備在納米級別自動化裝配領(lǐng)域中的應(yīng)用

前文中我們已經(jīng)提到，在納米機(jī)器人的研究過程中，由于我們在納米電子器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域仍然存在著諸多的障礙，距離完全由人工制造的納米機(jī)器人的問世仍有待時(shí)日。但現(xiàn)在，人們已經(jīng)可以借助一些微納測量和加工設(shè)備，包括原子力顯微鏡（AFM）、掃描隧道顯微鏡（STM）等一窺納米世界的奧秘，制造一些納米尺度的復(fù)雜器件，這無疑為納米機(jī)器人的最終實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

制造納米級別的器件通常有如下三條途徑：從上往下型，包括電子束刻蝕以及光刻蝕;從下往上型，包括自我組裝和化學(xué)合成，通過物理定律的作用將勢能降到最低。這些技術(shù)可以直接通過組裝分子原子得到所需要的器件，但在目前，將原子放置到指定位置以調(diào)整器件性能的工作無疑是非常困難的。而最后一條途徑，即納米級別的自動化控制，可以為納米級別的元器件組裝提供精準(zhǔn)的定位和靈活的控制，因此被認(rèn)為是納米器件制造中最有希望的途徑，同時(shí)也是近年來相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

第一種被用于納米裝配的器件是掃描隧道顯微鏡（STM），它可以讓人們以高分辨率觀察和定位單個原子，但由于它自身的工作原理所限，在使用過程中要求探針和被加工物體均為導(dǎo)體，因此無法滿足大多數(shù)場合中的需要;原子力顯微鏡（AFM）是一種可以實(shí)現(xiàn)亞納米級別圖像顯示和操作的工具，同時(shí)也可以完成對不同環(huán)境和不同材料的加工，用途更為廣泛。但這一工具存在一個缺陷，就是在現(xiàn)階段完成一次AFM的掃描過程至少需要消耗數(shù)分鐘的時(shí)間，無法實(shí)現(xiàn)對于操作區(qū)域的實(shí)時(shí)顯示。而這種“一動一掃描”的工作方式，無疑將極大地延長加工時(shí)間，從而限制了AFM微納加工方法的適用范圍。穿透式電子顯微鏡（TEM）則是通過發(fā)射高能電子束穿透樣品來實(shí)現(xiàn)亞納米級別的探測，但這一方法只能用于加工具有特定屬性的樣品，同時(shí)TEM內(nèi)部有限的空間也將限制其加工復(fù)雜納米形狀的能力。而掃描電子顯微鏡（SEM）在納米加工領(lǐng)域兼具了以上諸多設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，并克服了其他設(shè)備的一些缺點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)顯示加工部位的圖像，同時(shí)能夠不受限制地加工復(fù)雜形狀。因此，SEM技術(shù)被認(rèn)為是在納米級別裝配中最有應(yīng)用前景的技術(shù)。

5 納米機(jī)器人的潛在危害

與任何一種技術(shù)一樣，納米機(jī)器人在為人們的生活帶來巨大方便的同時(shí)，也為人類文明帶來了一些潛在的挑戰(zhàn)。由于自身龐大的數(shù)量和控制的復(fù)雜性，納米機(jī)器人始終是一些科幻電影的?？汀Ｔ谝恍?zāi)難題材的科幻電影中，由失控的自我復(fù)制納米機(jī)器人所構(gòu)成的“灰霧”，是一種具有毀滅世界能力的武器。但電影終究是電影，除去一些科幻色彩濃厚的猜想，我們在下面將著重論述一下納米機(jī)器人所可能帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)。

在納米機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用過程中，最突出的風(fēng)險(xiǎn)是用于制造納米機(jī)器人的納米顆粒的安全性問題。由于納米材料的微小尺度所限，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，我們無法想對宏觀物質(zhì)那樣，對納米材料的各方面性能進(jìn)行測試。由于對所使用的納米材料缺乏全面的了解，在納米機(jī)器人制造過程中所使用的一些納米材料可能會存在著潛在的毒性，危害人們的身體健康。某些納米顆粒的毒性已經(jīng)得到了一些研究團(tuán)隊(duì)的證明，并受到的科學(xué)家們特別關(guān)注。

納米顆?？梢杂梢幌盗械牟牧现瞥?，包括過渡金屬、硅、碳、金屬氧化物等。一般來說，納米顆粒最可能進(jìn)入人體的方式是通過呼吸道吸入直接進(jìn)入肺部，另一種方法就是通過接觸納米顆粒，使之通過皮膚細(xì)胞進(jìn)入人體。此外，通過消化道或其他方式進(jìn)入人體，也是攝入納米顆粒的一種可能方式。雖然人體對于納米顆粒的進(jìn)入設(shè)置了復(fù)雜的障礙，但考慮到隨著納米科技廣泛應(yīng)用所帶來的大量無處不在的納米顆粒，納米顆粒會以不加區(qū)分的方式隨意地暴露在自然環(huán)境中，我們無法確保有能力完全將納米顆粒排除在人體以外，而一旦進(jìn)入人體內(nèi)，納米顆粒就可能回味人體帶來多種潛在的危害。運(yùn)用納米毒理學(xué)知識可以幫助我們對納米顆粒毒性的研究，并幫助我們更好地提升處理納米顆粒時(shí)的安全性。

在納米顆粒的眾多潛在危害中，最主要的一種就是納米顆粒的不可溶解性。一些研究已經(jīng)顯示了人體內(nèi)的納米顆?？梢圆皇茏璧K地進(jìn)入到人體的健康細(xì)胞中，甚至可以通過血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入到大腦中，并干擾健康細(xì)胞和組織的正常工作。這方面的風(fēng)險(xiǎn)對于那些需要在工作過程中接觸納米顆粒的人員來說最為嚴(yán)峻。因此，我們需要為這些工作人員提供相應(yīng)的保護(hù)措施。

6 總結(jié)

本文從納米機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用前景和潛在問題等方面，對當(dāng)前的納米機(jī)器人研究領(lǐng)域進(jìn)行了一個簡要的概括，并在研究過程中對相關(guān)部分在功能實(shí)現(xiàn)中所使用的不同方法進(jìn)行了列舉和比較。作為一個尚處于發(fā)展階段初期的領(lǐng)域，與納米機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)的研究始終是國內(nèi)外相關(guān)高校和科研院所所研究的熱點(diǎn)，在近年來也多有重大成果出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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