微納米機器人，從科幻邁進現實

黃天云

現代科技的飛速發展，使人類有能力“上九天攬月，下五洋捉鱉”，開啟邁向星辰大海的壯麗征途。不同于宏觀尺度，近年來，來自各領域的眾多科學家從理論構想、可行性驗證到原理樣機，正嘗試如何在微尺度建造一艘“宇宙飛船”，進入微觀世界探究其無盡的奧妙。

那些“瘋狂的想法”

在《西游記》中，有許多關于孫悟空七十二變的經典橋段，其中幻化成各類極其微小的蚊蟲與妖怪斗智斗勇的描寫讓人拍手稱快。

20世紀60年代，著名物理學家理查德·費曼教授在一次演講中提道：“當你在修理像你愛人手表這樣小得令人沮喪的東西時，你是否對自己說，如果我能訓練一只螞蟻來做這件事就好了？而我想建議的是，先訓練一只螞蟻，然后讓螞蟻訓練螨蟲做到這一點。”這次演講在學術界掀起了“如何建造微型機器人”的世紀大討論，也預示著納米技術與醫用微納米機器人時代的來臨。

隨著微納米機器人概念的提出，各類相關微縮身體的影視橋段在科幻電影中屢見不鮮。第一部影響深遠的科幻電影《奇幻航程》于1966年上映，講述了如何通過微縮技術將潛艇縮小到血紅細胞那么小，并被注射進人體深入病灶完成精準治療的奇妙旅程。翻拍于1987年的《零度空間》也有相似的橋段。2015年上映的漫威電影《蟻人》中，利用量子微縮技術制造出了能讓主人公瞬間縮小、與螞蟻等昆蟲進行交流并控制它們的“蟻人戰衣”。《復聯4》中更是出現了蟻人變小后潛入鋼鐵俠盔甲內拔下反應堆插頭的場面。《喋血戰士》《勝利號》《終結者5》等科幻電影中，也都存在利用納米機器人進行自我修復的黑科技。

西游記

第16回：蜜蜂的“腰細身輕”“小小微軀能負重”“穿花度柳飛如箭”“卻自椽棱下，鉆出看分明”；

第21回：蚊子的“擾擾微形利喙，嚶嚶聲細如雷”；

第32回：蟭蟟蟲兒的“幾番閑日歇幽林，一身渾不見，千眼莫能尋”；

第51回：蒼蠅的“翎翅薄如竹膜，身軀小似花心”。

智能化發展趨勢

現在，微納米機器人早已不只存在于科幻電影，科學家們正努力推動它們從基礎研究邁向現實應用。

隨著近些年納米技術與先進機器人學的發展，微納米機器人的發展也突飛猛進，已從初期的單一結構功能化，向適應復雜微環境的智能化方向發展。

開啟探索微觀世界的大門

工欲善其事，必先利其器。機器被人類創造出來已有數十萬年，它被用以彌補和增強人類的能力，以便將我們從繁重的任務和惡劣的工作條件中解放出來。

在工程中，機器的先進性通常體現在如何利用有限設計空間盡可能多地集成功能單元。回顧機器的整個發展史，特別是在20世紀60年代新興納米技術的推動下，微型化已成為機器從機械化、經電氣化和信息化向智能化方向發展的必然要求，也代表著前沿科技與基礎理論創新的發展方向。

機器的微型化除了推升宏觀機器的性能，更重要的是開啟了探索微觀世界的大門。

微觀世界蘊含著生命奧秘的鑰匙，掌握這把鑰匙將有助于探索智慧生命的起源，拓展人類認知世界的邊界，發掘全新的科技交叉前沿。1953年是科技發展史上很重要的一年，沃森與克里克提出了DNA雙螺旋結構模型，標志著生物學可以從分子層面探究生物體的結構功能，并以基因工程和細胞工程、酶工程、蛋白質工程和微生物工程等現代生物技術為手段，三維解構生物大分子、精準操控遺傳物質、定向改造生物及其特定功能，創造出更加優良的新物種。

在此基礎上，如何利用微納米機器人進行跨尺度精準調控生物的宏觀表現，在微尺度下與生物體建立有效交互機制，將有助于探索智慧生命生長與自組織演化的內在機理。

從生物中獲得靈感

微納米機器人的發展歷史，可追溯到16世紀復式顯微鏡的發明，最具代表性的是伽利略首次發現昆蟲的復眼微結構，以及羅伯特·胡克在《顯微圖譜》一書中首次定義了“細胞”一詞來表述“最小的生物組成結構”。

20世紀60年代起，從理查德·費曼提出將微納米機器人用于精準醫療的大膽構想，到以日本科學家福田敏男為代表的眾多領域先驅做出微納操作技術和微納米機器人建造的早期嘗試，微納米機器人領域的學者用了近40年來驗證在微小尺度建造機器人的可行性。

從21世紀初至今，以瑞士微納機器人專家布萊德利·尼爾森、美國化學家約瑟夫·王、德國物理學家皮爾·費舍爾和仿生機器人專家梅廷·西蒂、羅伯特·伍德等為代表的不同領域專家，提出了各類微納米機器人的設計方案，特別是以仿微生物的運動機構，如螺旋推進的鞭毛和纖毛為代表，從運動機理、納米材料、制備工藝、驅控系統設計及各類生物醫學應用等多個方面進行了系統性研究。

了不起的微納米機器人

近些年，很多發達國家已將微納米機器人列為重點發展的戰略科研方向。

在生物醫療領域，微納米機器人被譽為未來人體對抗疾病的終極武器，正在極大程度顛覆現代醫學的診療范式。2010年，瑞士工程院院士布拉德利·尼爾森教授在《生物醫學工程年度評論》上發表了具有里程碑意義的長文綜述，奠定了微創介入治療用微納米機器人的發展方向，他也因在醫用微納米機器人領域的卓越貢獻獲得2020年哈姆丹醫學國際最高獎。值得一提的是，2016年的諾貝爾化學獎首次頒給了三位微納米機器人領域專家，以表彰他們在分子機器設計與合成方面做出的開創性工作，也預示著人類利用納米機器人治療疾病有望在2035年左右實現。

在基因編輯領域，納米磁編輯技術在2019年首次展示出在納米級精度上將多模態變體信息嵌入微機器的能力，其更重要的價值體現在利用納米磁編碼可構建起類似于DNA雙螺旋的堿基配對，高效有序地進行各類功能微單元的可控裝配。

在環境工程領域，捷克布爾諾理工大學馬丁·普梅拉教授于2023年系統闡述了如何合成具有可編程自驅動運動功能的智能微納米機器人來實現高效水體修復，這或許將為我國未來應對由海洋污染引發的一系列食物及清潔水短缺等問題提供全新的思路和有效方法。

盡管離科幻電影中微納米機器人的無所不能還有相當一段距離，但現有技術已賦予微納米機器人自主運動、靶向遞送、精準微操作等各類功用，還能讓其具備一定的環境感知與適應能力。我們有理由相信，經過科學家的不懈努力，未來，微納米機器人隨著更多功能的集成、各項性能的大幅提升，將顛覆眾多傳統領域，真正造福人類。

作者單位 北京大學工學院先進制造與機器人系、機器人研究中心、全國科普教育基地