納米機器人

       納米機器人的設(shè)想，是在納米尺度上應用生物學原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機器人。合成生物學對細胞信號傳導與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計，開發(fā)“在體”或“濕”的生物計算機或細胞機器人，從而產(chǎn)生了另種方式的納米機器人技術(shù)。 　　

產(chǎn)生背景

　　1959年率先提出納米技術(shù)的設(shè)想是諾貝爾獎得主理論物理學家理查德-費曼。他率先提出利用微型機器人治病的想法。用他的話說，就是“吞下外科醫(yī)生”。理查德·費恩曼在一次題目為《在物質(zhì)底層有大量的空間》的演講中提出：將來人類有可能建造一種分子大小的微型機器，可以把分子甚至單個的原子作為建筑構(gòu)件在非常細小的空間構(gòu)建物質(zhì)，這意味著人類可以在最底層空間制造任何東西。從分子和原子著手改變和組織分子是化學家和生物學家意欲到達的目標。這將使生產(chǎn)程序變得非常簡單，只需將獲取到的大量的分子進行重新組合就可形成有用的物體。

　　在1959年的演講《在底部有很多空間》中，他提出納米技術(shù)這一想法。雖然沒有使用“納米”這個詞，但他實際上闡述了納米技術(shù)的基本概念。

　　1990年我國著名學者周海中教授在《論機器人》一文中預言：到二十一世紀中葉，納米機器人將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?/p>

　　2010年7月1日，美國密西西比州的灣港，墨西哥灣“深水地平線”號的漏油被沖上海岸。在應對漏油事故等環(huán)境災難方面，納米機器人的效率遠超過傳統(tǒng)方式。

學術(shù)設(shè)想

　　納米生物學的設(shè)想，是在納米尺度上應用生物學原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。涉及的內(nèi)容可歸納為以下3個方面：

　　在納米尺度上了解生物大分子的精細結(jié)構(gòu)及其與功能的聯(lián)系。

　　在納米尺度上獲得生命信息，例如，利用掃描隧道顯微鏡獲取細胞膜和細胞表面的結(jié)構(gòu)信息等。

　　納米機器人的研制。納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內(nèi)容，第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體，這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行健康檢查和疾病治療。還可以用來進行人體器官的修復工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機體正常運行。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。

　　納米尺度調(diào)整殺死變異的癌變細胞，通過外部激光器指引，精確計算找到出輻射超標的癌變細胞，利用先進的生物細胞溶解技術(shù)將可能病變的細胞溶解成化學分子元素，并通過特定傳感器系統(tǒng)精確的核查后，將細胞組分成功進入健康細胞中，完成壞死細胞與成功健康細胞的轉(zhuǎn)換。

技術(shù)原理

　　納米生物學的產(chǎn)生是與SPM的發(fā)明和在生命科學中的應用分不開的。生命過程是已知的物理、化學過程中最復雜的事情。不同于宏觀生物學，納米生物學是從微觀的角度來觀察生命現(xiàn)象、并以對分子的操縱和改性為目標的。納米生物學發(fā)展時間不長就已經(jīng)取得了可喜的成績。生物科學家在納米生物學領(lǐng)域提出了許多富有挑戰(zhàn)性的新觀念。納米生物學的加工技術(shù)可以向生物細胞學習。

　　事實上，每一個細胞都是一個活生生的納米技術(shù)應用的實例：細胞不僅將燃料轉(zhuǎn)化為能量，而且按照儲存在DNA中的信息來建造和激活蛋白質(zhì)和酶，通過對不同物種的DNA進行重組，基因工程家已經(jīng)學會建造新的這類納米工具，例如用細菌細胞來生產(chǎn)醫(yī)用激素?？茖W家根據(jù)分子病理學的原理已經(jīng)研制出各種各樣的可以進入人體微觀世界行走的納米機器人，有望用于清除有害物質(zhì)、修復損壞基因、激活細胞能量、維護人體健康和延長人類壽命。醫(yī)用納米機器人目前還處在試驗階段。

應用領(lǐng)域

　　納米技術(shù)的大膽應用設(shè)想還包括：利用納米機器將獲取的碳原子逐個組織起來，變成精美的金剛石；將二氧化物分子重新分解為原來的組成部分；在人血中放入納米巡航工具，它能自動尋找沉積于靜脈血管壁上的膽固醇，然后將它們一一分解；將來納米機器能夠把草地上剪下來的草變成面包……在完全意義上講，世上每一個現(xiàn)實存在的物體無論是電腦還是奶酪都是由分子組成的；

　　在理論上，納米機器可以構(gòu)建所有的物體，當然從理論到真正實現(xiàn)應用是不能等同的。

　　但納米機械專家已經(jīng)表明，實現(xiàn)納米技術(shù)的應用是可行的。在掃描隧道顯微鏡幫助下，納米機械專家已經(jīng)能將獨立的原子安排成自然界從未有的結(jié)構(gòu)。此外，納米機械專家還設(shè)計出了只由幾個分子組成的微小齒輪和馬達。（切勿將這些齒輪和馬達與那些由數(shù)以百萬計分子組成的用傳統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的微小齒輪和馬達相混淆，這些機器同未來制造的機器相比較實在是太巨大了）。

　　25年內(nèi)，納米技術(shù)學家期望實現(xiàn)這些存在于科學陳列室中的想法，創(chuàng)造出真實的、可以工作的納米機器。這些納米機器有微小的“手指”可以精巧地處理各種分子；有微小的“電腦”來指揮“手指”如何操作?！笆种浮笨赡苡?span id="aqxikyt" class="hrefStyle">碳納米管制造，它的強度是鋼的100倍，細度是頭發(fā)絲的五萬分之一?！半娔X”可能由碳納米管制造，這些碳納米管既能做晶體管又能做連接它們的導線?！半娔X”也可能由DNA制造，用適當?shù)?span id="lo42oy5" class="hrefStyle">軟件和足夠的靈巧性進行武裝的納米機器人可以構(gòu)建任何物質(zhì)。

　　納米機器人執(zhí)行任何任務(wù)，包括自身復制，都必須動用大量的納米機器。血液里可能存在數(shù)以百萬計的納米機器人；在每一個有毒廢物地點可能需要數(shù)以萬億計的納米機器人，要制造一輛汽車可能要調(diào)動數(shù)以100億億計的納米機器人同時工作。然而，沒有一個生產(chǎn)線能生產(chǎn)如此巨大數(shù)量的納米機器人。

　　但是，納米科學家眼中的納米機器可以做到這點。他們設(shè)計的納米機器人可以完成兩件事：執(zhí)行它們的主要任務(wù)和制造出它們自身完美的復制體。如果第一個納米機器人能夠制造出兩個復制體，這兩個復制體每個又可制造出兩個自己的復制體，很快就可以獲得數(shù)萬億個納米機器人。

　　但是，假如納米機器人忘記停止復制，會發(fā)生什么？如果沒有一些內(nèi)建的停止信號，納米機器人忘記停止復制，這種災難的可能后果將會是無法計算的。納米機器人在人體內(nèi)快速復制，能夠比癌癥擴散還要快地布滿正常組織；一個發(fā)瘋的制造食物機器人能夠把地球的整個生物圈變成一塊巨大的奶酪。

　　納米技術(shù)學家沒有回避危險，但是他們相信他們能控制災難的發(fā)生。其中一個辦法是設(shè)計出一種軟件程序使納米機器人在復制數(shù)代后自我摧毀。另一種辦法是設(shè)計出一種只在特定條件下復制的機器人，例如只有在有毒化學物質(zhì)以較高濃度出現(xiàn)時機器人才能復制，或者在一個很窄的溫度和濕度范圍內(nèi)機器人才能復制。

　　就像電腦病毒的傳播一樣，所有以上這些努力都無法阻止那些不懷好意的人有意釋放某種納米機器人作為害人武器。事實上，一些批評家指出納米技術(shù)可能的危險要大于它的益處。然而，僅僅這些利益就已經(jīng)太具誘惑力了，納米技術(shù)必將超過電子計算機和基因制藥而成為新世紀的技術(shù)發(fā)展方向。世界可能會需要一個納米技術(shù)免疫系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中納米機器人警察不斷地在微觀世界中同那些不懷好意的機器人進行戰(zhàn)斗。

中國應用

　　中國人也可以像擺棋子一樣擺弄原子了。記者從中科院獲悉，一臺能夠在納米尺度上操作的機器人系統(tǒng)樣機由中國科學院沈陽自動化所研制成功，并通過了國家“863”自動化領(lǐng)域智能機器人專家組的驗收。 在一個演示中，沈陽自動化所的研究人員操縱“納米微操作機器人”，在一塊硅基片上1×2微米的區(qū)域上清晰刻出“SIA”3個英文字母（沈陽自動化所的縮寫）；另一個演示顯示，在一個5×5微米的硅基片上，操作者將一個4微米長、100納米粗細的碳納米管準確移動到一個刻好的溝槽里。

　　納米微操作機器人在10×10微米的基片上刻出的字樣

　　測試顯示，在刻畫操作中，這臺納米微操作機器人在512個像素寬度的顯示區(qū)域里，重復定位誤差小于5個像素，精度達1%以上；在移動納米碳管的操作中，重復定位精度達到30納米；而在基于路標的定位測試中，其定位誤差小于4納米。 專家解釋，1納米是10^-9米，大約等于10個氬原子并列成一條直線的長度。在納米尺度上的操作，被稱為“納米微操作”，是納米技術(shù)的重要內(nèi)容，其目的是在納米尺度上按人的意愿對納米材料實現(xiàn)移動、整形、刻畫以及裝配等工作。納米微操作始于20世紀80年代，IBM的科學家1989年利用掃描式隧道顯微鏡（STM）操作35個氙原子在鎳金屬表面拼出I－B－M三個字母，成為轟動世界的新聞，開了納米微操作先河。從此，納米操作技術(shù)作為一個重要的戰(zhàn)略發(fā)展方向吸引各國競相展開研究。 該項目研究人員介紹，這臺機器人系統(tǒng)在納米尺度下的系統(tǒng)建模方法、三維納觀力獲取與感知及誤差分析與補償方面有很多突破與創(chuàng)新，都達到世界先進水平。 據(jù)介紹，這種納米微操作機器人可廣泛應用于納米科學實驗研究、生物工程與醫(yī)學實驗研究、微納米科研教學等領(lǐng)域。如生物學研究領(lǐng)域中，使用納米微操作機器人可完成對細胞染色體的切割操作；也可在DNA或分子水平上進行生化檢測及病理、生理測試實驗研究。此外這種機器人在IC工業(yè)中納米器件的裝配與加工方面也有良好的應用前景，如可以利用它操作納米微粒，裝配微/納米電子器件，甚至復雜的納米電路。這意味著，未來利用納米電路制成的電腦和家用電器，可以“想要它有多小，就能做多小”，甚至可以“塞進牙縫”；而未來利用納米操作技術(shù)制作的微型機器人，也可以鉆入人體替病人疏通血管，或在肉眼看不見的微觀世界里，完成人們自己不可能完成的任務(wù)。

國外應用

　　在美國科幻大片《驚異大奇航》中，科學家把變小的人和飛船注射進人體，讓這些縮小的“參觀者”直接觀看到人體各個器官的組織和運行情況。然而在現(xiàn)實中，科學家根據(jù)分子病理學的原理已經(jīng)研制出各種各樣的可以進入人體的納米機器人，有望用于維護人體健康。

　　還處在試驗階段，大到長幾毫米，小到直徑幾微米；但可以肯定的是，未來幾年內(nèi)，納米機器人將會帶來一場醫(yī)學革命。

　　許多工程師、科學家和醫(yī)生都認為，醫(yī)用納米機器人有著無限的潛力——而其中最有可能的包括：治療動脈粥樣硬化、抗癌、去除血塊、清潔傷口、幫助凝血、祛除寄生蟲、治療痛風、粉碎腎結(jié)石、人工授精以及激活細胞能量，使人不僅保持健康，而且延長壽命。

研究進展

　　納米機器人，外形仿照大腸桿菌?？茖W家將在2015年進行臨床試驗。納米技術(shù)研究領(lǐng)域的科學家積極探索這項技術(shù)在其他方面的應用，例如水處理或者環(huán)境治理。將來可能會操控數(shù)百萬個納米機器人，讓它們穿過被污染的水域，尋找和處理污染物而后將它們收集在一起。

　　在治療心臟病時，納米機器人將穿過一根直徑2到3毫米的導管，進入需要治療的特定部位。這種導管技術(shù)也可用于大腦以及其他部位，例如腸道和尿道。進入這些部位的最大難度就是一定要達到極高的精確度。出于這個原因，納米技術(shù)長久以來一直被譽為未來對抗癌癥的最理想武器。

　　納米機器人在絕對無塵室制造，防止它們感染細菌。這種制造方式在很大程度上與電腦芯片類似。尼爾森指出這一次的成功測試給了他們很大鼓勵，促使他們探索納米機器人的其他應用，例如治療心臟病。

　　科學家在極為脆弱的環(huán)境下對納米機器人進行活體測試，這個極為脆弱的環(huán)境便是眼睛。測試中，它們穿過玻璃體——充滿視網(wǎng)膜與晶體之間眼球的無色透明膠狀物質(zhì)——將藥物送入視網(wǎng)膜，治療與衰老有關(guān)的疾病，例如黃斑變性。黃斑變性可導致失明。

　　爾森的納米機器人可能并不攜帶一把微型手術(shù)刀，但它們擁有一些非常獨特的東西。它們的外形仿照大腸桿菌，利用被稱之為“鞭毛”的旋轉(zhuǎn)尾巴驅(qū)動身體前行。

　　個裝有大腸桿菌的培養(yǎng)皿。細菌擁有一個回轉(zhuǎn)馬達。現(xiàn)在，我們還無法制造這種馬達，我們沒有這方面的技術(shù)，但我們能夠借助磁場實現(xiàn)相同的目的。我們采用了鞭毛的設(shè)計，對其進行磁化，允許機器人游動。

　　納米機器人作為應用納米科技生產(chǎn)的微型機具，在近年來取得了顯著的進展，尤其是在醫(yī)療、環(huán)境保護和工業(yè)制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。以下是納米機器人最新進展的詳細概述：

一、醫(yī)療領(lǐng)域

　　1、藥物遞送：

　　納米機器人能夠通過精準定位，將藥物直接輸送到病灶部位，如腫瘤組織，從而減少對健康細胞的損害，實現(xiàn)靶向治療。例如，國家納米科學中心的研究團隊已經(jīng)成功研制出藥物遞送DNA納米機器人，并在活體（小鼠和豬）血管內(nèi)完成了定點藥物輸運功能。

　　這些納米機器人能夠根據(jù)藥物遞送的不同目標做成各種形狀，如柔軟的“納米布”或“納米管”，并通過特異性DNA適配體功能化，精確靶向定位腫瘤血管內(nèi)的皮細胞后釋放藥物，誘導腫瘤血管栓塞和組織壞死。

　　2、疾病診斷與治療：

　　納米機器人能夠進入人體內(nèi)部，執(zhí)行微創(chuàng)手術(shù)，精確治療疾病和腫瘤。它們可以在血液、胃液等復雜環(huán)境中識別并定位病變細胞，為疾病的早期檢測和治療提供新的解決方案。（來源：百家號）

　　例如，武漢理工大學的研究團隊成功研發(fā)出可放入動物體內(nèi)的溶栓納米機器人，這是全球首例此類技術(shù)，展示了納米機器人在心血管疾病治療中的潛力。

　　3、生物兼容性與安全性：

　　納米機器人的生物兼容性方面也有新進展，能夠保證它們在人體內(nèi)不引發(fā)免疫反應或其他不良副作用。研究者們正在努力開發(fā)能夠根據(jù)體內(nèi)環(huán)境變化自我調(diào)整行為的納米機器人，以提高治療的安全性和有效性。

二、環(huán)境保護領(lǐng)域

　　納米機器人能夠利用其微小的尺寸和精確操作能力，進入狹小空間并執(zhí)行特定任務(wù)，如檢測和修復管道中的漏洞，清除水體中的污染物等。這些應用對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

三、工業(yè)制造領(lǐng)域

　　納米機器人在工業(yè)制造中也有著廣泛的應用前景。它們可以在微觀尺度下進行精確操作，提高制造精度和效率。隨著納米機器人技術(shù)的不斷進步，其在工業(yè)制造領(lǐng)域的應用將更加廣泛和深入。

四、研發(fā)與投資

　　全球范圍內(nèi)對納米機器人技術(shù)的研發(fā)投入不斷增加。中國報告大廳的數(shù)據(jù)顯示，我國醫(yī)用納米機器人行業(yè)的研發(fā)投資規(guī)模從2016年的約0.35億元增長到2021年的1.22億元，顯示出行業(yè)快速發(fā)展的趨勢。

五、國際合作與交流

　　國際間關(guān)于納米機器人技術(shù)的交流與合作也在不斷加強。例如，“機器人+先進技術(shù)國際會議(2024)”就圍繞微納機器人、工業(yè)機器人、醫(yī)療機器人等版塊展開了深入討論和交流，促進了機器人技術(shù)的國際化發(fā)展。

　　綜上所述，納米機器人在醫(yī)療、環(huán)境保護和工業(yè)制造等領(lǐng)域取得了顯著進展，并展現(xiàn)出廣闊的應用前景。隨著科技的不斷進步和研發(fā)投入的增加，納米機器人技術(shù)將在未來發(fā)揮更加重要的作用。

用途

　　納米機器人的用途非常廣泛，可以歸納為以下幾個主要領(lǐng)域：

醫(yī)療領(lǐng)域：

　　診斷和治療：納米機器人可以被設(shè)計成能夠在人體內(nèi)進行精確的診斷和治療。例如，它們可以用于捕捉和移動單個細胞，清除血管壁甚至心臟動脈上的脂肪沉積物，幫助治療心血管疾病。此外，納米醫(yī)用機器人還可以用于探測病變發(fā)生的位置，并針對單個的病變細胞釋放精確劑量的藥物，以降低藥物的副作用并提高療效。

　　微創(chuàng)手術(shù)：納米機器人在微創(chuàng)手術(shù)中發(fā)揮重要作用，它們可以通過人體的天然孔道或微小的切口進入人體內(nèi)部，執(zhí)行精確的操作，如組織修復和異物清除，從而減少手術(shù)帶來的創(chuàng)傷和恢復時間。

環(huán)境領(lǐng)域：

　　環(huán)境監(jiān)測和處理：納米機器人可以用于檢測和處理水、空氣和土壤中的污染物。例如，它們可以用于監(jiān)測空氣中的有害物質(zhì)，及時發(fā)現(xiàn)和解決環(huán)境污染問題。

工業(yè)領(lǐng)域：

　　提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量：納米機器人可以提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。它們可以用于自動化生產(chǎn)線、智能物流和無人巡檢等任務(wù)，通過提高生產(chǎn)過程的自動化程度來降低成本和增加產(chǎn)量。

軍事領(lǐng)域：

　　軍事應用：納米機器人在軍事領(lǐng)域也有潛在的應用價值。例如，可以制造出更小、更靈活的軍用機器人，如“螞蟻士兵”，用于執(zhí)行偵察和情報收集等任務(wù)。此外，納米機器人技術(shù)還可以用于改善武器裝備的性能，提升控制系統(tǒng)的功能屬性。

信息通信領(lǐng)域：

　　構(gòu)建納米電路和計算機：納米機器人也可以用于構(gòu)建納米電路和計算機，或者在不同物理樣本之間進行數(shù)據(jù)傳輸。這有望為電子設(shè)備帶來更高的信息傳輸和處理速度及效率。

　　總的來說，納米機器人的應用領(lǐng)域非常廣泛，隨著技術(shù)的不斷進步和應用場景的不斷擴展，納米機器人的應用前景將會更加廣闊。