納米機器人及其發展研究

朱團+金爽+張利超

[摘 要]隨著納米科技的不斷發展，產生了納米機器人技術。納米機器人涉及分子仿生學和電子控制技術的范圍，以分子水平的生物學原理來設計研制出可對納米空間級進行操作的“功能分子器件”，研發出能操控生物分子的納米級結構，突破了傳統機器結構的限制。納米機器人的研發已成為當今科技的前沿熱點，具有較強的創新性和前瞻性，備受世人矚目，具有廣泛的應用前景。

[關鍵詞]納米機器人；納米科技；生物醫學

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

隨著納米科技的不斷發展，產生了納米機器人技術，研制可編程的納米機器人。納米機器人涉及分子仿生學和電子控制技術的范圍，以分子水平的生物學原理來設計研制出可對納米空間級進行操作的“功能分子器件”，研發出能操控生物分子的納米級結構，突破了傳統機器結構的限制，納米機器人的研發已成為當今科技的前沿熱點，具有較強的創新性和前瞻性，備受世人矚目，具有廣泛的應用前景。

1 國內外研究現狀

近年來，國內外對納米機器人的研究越來越熱，并取得了一定的進展，部分國家已經研制出納米機器人的樣機。美國在納米機器人的設計和研究領域處于世界領先水平。紐約大學的科學家研制出一個雙足分子機器人，該機器人可以運送原子，可以作為精密醫學的工具。加利福尼亞大學的科學家研制出一種能夠憑借自身生長的肌肉行走的微型機器。科學家將鼠心肌細胞附著在約200μm長的硅制框架上，這些心肌細胞在接近自然狀況的培養環境中生長分裂，長成了約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，從而帶動硅制框架緩慢向前行走，形成了微型機器人，為納米機器人動力系統的研制提供了有效方法，這種方法在醫學上能夠用來清除血管內的脂肪斑。哥倫比亞大學研制出一種 “納米蜘蛛”微型機器人，該機器人只有4nm大小，由DNA分子構成，能夠跟隨DNA的運行軌跡移動，在二維體表面可以行走100nm，可用于醫療領域，進行疾病診斷、協助手術過程、清理血管垃圾等。加拿大、法國、日本、瑞士、以色列、德國等國也在納米機器人領域開展了富有成效的研究工作。加拿大蒙特利爾理工大學在納米機器人的運動控制方面取得了進展：在計算機控制下，成功地引導了一個微型裝置在活體動脈內以10cm/s的速度運動。法國國家科研中心則成功地利用特種顯微鏡儀器，讓一個分子做出了各種動作。日本東京大學的科學家成功地將2個分子機器人組裝在一起，形成了一個分子機器復合體，紫外線和可見光能夠為這個超微型分子機器提供動力。利用光的控制，這個分子機器人能夠充當“機器人外科醫生”，可穿行于人體血管以及殺死癌細胞。瑞士蘇黎世實驗室和巴塞爾大學、韓國等都研制出了不需要電池的納米機器人，為納米機器人未來在醫療中的應用拓寬了方向。以色列的科學家發明了一種只有幾毫米大小的微型機器人，該機器人能夠憑借細小的附屬肢體在血管里附著和移動，科學家通過在病人體外制造磁場來控制這些附屬肢體的動作，所制造的磁場能夠使微型機器人的肢體發生振動，并且在血管中進行運動。在納米加工或操作的自動化裝置方面，德國曾經研制出具有信息處理、導航和通信能力的微型直升機，這種基于多方面納米技術的微型飛機可以旋停、低飛、高飛，可以實現偵察、引導導彈攻擊目標等功能。我國納米機器人的研究工作開展不多，研究工作主要集中在沈陽、重慶、上海、北京等地，其中北京在生物納米機器人的部分領域已經達到國際先進水平。

當前生物納米機器人研究工作已從第一代生物機械簡單結合系統（例如用碳納米管作結構件，分子馬達作為動力組件，DNA關節作為連接件等）發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片斷或者蛋白質分子裝配成生物納米機器人），未來還將向第三代包含納米計算機在內的進行人機對話的操控性納米機器人發展。第三代生物納米機器人目前還處于設想階段。目前，在全世界范圍內用于嚴格意義上納米加工或操作的自動化裝置發展較少，包括以環境掃描電鏡為平臺的多功能微納操作、表征及微加工系統等，能對微小零部件進行納米級加工的“納米車床”等主要還停留在概念設計階段。

2 納米機器人

一般認為，納米機器人是根據分子水平的生物學原理為設計原型，在納米尺度上應用生物學原理，研制可編程的分子機器人。它是納米機械裝置與生物系統有機結合的產物。當人體某個部分感染時往往會服用或注射抗生素，但是抗生素在血液里會被稀釋，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。在生物醫學上，科學家還利用納米技術制造納米機器人，讓它在人的血管網絡中漫游，進行巡邏和檢查，盡早發現異常細胞，而且可以對人體內細胞組織進行修復。它不僅可以完成早期診斷工作，更重要的是可以充當微型醫生發揮治療作用，解決傳統醫生難以解決的問題，如：殺死癌細胞、疏通血栓、清除動脈脂肪沉積物等。這種簡單的機器人，可以是一個人造紅細胞，約由1800 萬個主要是碳的原子構成，能模仿正常的充滿血紅素的血紅細胞行為，該裝置上的壓力傳感器可接收醫生的信號，在人體內的它們還可以實時監測人體在不同條件下的各類信息，如不同時間人體內不同位置處的各類化合物的水平，從而形成動態圖像，形成了一種新的醫學成像方法。納米機器人還可以用來為人體器官做手術、為腦部動手術等。

3 納米機器人的應用

目前，納米機器人尚在研究開發階段，但其潛在應用十分廣泛，主要體現在醫療和軍事上。

3.1 納米機器人在醫療上的應用

在生物醫學上，納米技術具有無限的潛力，納米機器人的研制成功成為納米研發領域的驕傲。納米機器人不但能夠修復細胞與基因，還能夠清除體內垃圾、養護血管。

（1）細胞與基因的修復。隨著人類對物質控制能力的不斷進步，分子大小的機械部件將會誕生，它們可以組裝成比細胞還要小的微型機器。人工制造的“細胞修復機”在納米計算機的操縱下，可以對原子逐個進行操作，修正DNA的錯誤，維護個別細胞的成分，從而達到對整個基因細胞的修復。

（2）清理體內垃圾。人體是一個保持自然平衡的有機體，新陳代謝的過程可以起到吸收新鮮養分、排除有害物質的作用。但有時候人體自身平衡出現問題，無法實現自我平衡。例如，人體鉛、汞中毒后，機體無法排出，也無法分解這些元素。這時，如果讓納米機器人進入體內，就會極具目的性地把這些有害物質清出體內，使人體恢復自然平衡。

（3）養護血管。人體的腦部血管有些地方天生脆弱，平時很難被察覺，但在意外情況下，可能會突然發生破裂，導致腦溢血。如果讓納米機器人事先進入血管，仔細檢查，并且一一修復那些脆弱血管，就可以避免這類悲劇的發生。有時血管中會產生血栓，堵塞血液正常流動。如果將納米機器人導入血管，可以把血栓打成小碎片，避免血栓的進一步擴大。

3.2 納米機器人在軍事上的應用

世界各國的軍備競賽已經延伸到了納米領域，各國都在探索利用納米技術進行軍事裝備的升級與改造。多國已經開展了有關納米機器人在軍事應用上的探索，主要體現在以下幾個方面。

（1）用于傳統的武器裝備中。納米機器人用于傳統的武器技術裝備，能夠改善裝備材料、工藝、控制系統、制導系統、運輸和儲存方式，提高傳統武器技術裝備的技術性能，使作戰裝備的殺傷效能得到有效提高。

（2）用于開發新的人體作戰手段和方式。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。

（3）研制納米武器。納米武器是納米機器人在軍事應用上的另一個研究熱點，如果將納米武器注入到人造或雜交的昆蟲體內，昆蟲便將這些納米武器傳播到敵國軍民的身體中，造成巨大的殺傷力。同時，納米機器人還可通過自我復制或自我繁殖的方法迅速在敵方陣營中擴散。隨著納米武器的誕生和大量運用，傳統的作戰方式不斷更新，納米技術水平的高低對戰爭的勝負影響越來越大。

4 納米機器人發展的前景展望

在21世紀，納米科學技術將成為科學技術發展的主流。納米機器人的發展是化學、物理、生物、工程、醫學、材料科學等多門學科發展的結果，必將促進21世紀科學技術大軍的跨學科教育。納米機器人將對21世紀初的經濟與社會產生深刻影響，也許可與信息技術、細胞生物學、遺傳生物學與分子生物學的影響匹敵。從應用的范圍和潛力方面講，無論是軍用還是民用，納米機器人的未來是不可估量的，由于其不同的功能，高表面積與體積比，納米結構對于化學和生物傳感器、醫療設備、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，產生了不同形態的納米材料，如納米級薄膜、納米線、納米管、納米帶、納米粒子和納米多孔結構等。這種多功能的和多成分分層的異晶結構是非常有用的，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，隨著納米機器人技術逐漸產業化和日趨成熟，其產業化和市場化的前景是十分可觀的。

5 結 論

隨著科學技術的不斷發展，納米機器人已經與信息技術、生命科學技術等一起成為科學技術進步的重要方向。納米機器人的設計與制造已成為世界上人們關注的熱點，成為21世紀科學技術進步的發展動力。納米機器人的發展方向是多種技術的綜合應用，以實現各種技術的優勢互補。因此要想通過納米機器人的研發帶動納米技術的整體蓬勃發展，還需要研究人員不斷開拓創新，逐一解決研發中的各種問題，為早日突破納米機器人技術占領世界技術至高點奠定基礎，最終使納米機器人早日走入人民生活，造福人類。

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