纳米机器人及其发展研究

朱团+金爽+张利超

[摘 要]随着纳米科技的不断发展，产生了纳米机器人技术。纳米机器人涉及分子仿生学和电子控制技术的范围，以分子水平的生物学原理来设计研制出可对纳米空间级进行操作的“功能分子器件”，研发出能操控生物分子的纳米级结构，突破了传统机器结构的限制。纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点，具有较强的创新性和前瞻性，备受世人瞩目，具有广泛的应用前景。

[关键词]纳米机器人；纳米科技；生物医学

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

随着纳米科技的不断发展，产生了纳米机器人技术，研制可编程的纳米机器人。纳米机器人涉及分子仿生学和电子控制技术的范围，以分子水平的生物学原理来设计研制出可对纳米空间级进行操作的“功能分子器件”，研发出能操控生物分子的纳米级结构，突破了传统机器结构的限制，纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点，具有较强的创新性和前瞻性，备受世人瞩目，具有广泛的应用前景。

1 国内外研究现状

近年来，国内外对纳米机器人的研究越来越热，并取得了一定的进展，部分国家已经研制出纳米机器人的样机。美国在纳米机器人的设计和研究领域处于世界领先水平。纽约大学的科学家研制出一个双足分子机器人，该机器人可以运送原子，可以作为精密医学的工具。加利福尼亚大学的科学家研制出一种能够凭借自身生长的肌肉行走的微型机器。科学家将鼠心肌细胞附着在约200μm长的硅制框架上，这些心肌细胞在接近自然状况的培养环境中生长分裂，长成了约100μm的肌肉，这些肌肉吸收溶液中的葡萄糖后就能够自主收缩和舒张，从而带动硅制框架缓慢向前行走，形成了微型机器人，为纳米机器人动力系统的研制提供了有效方法，这种方法在医学上能够用来清除血管内的脂肪斑。哥伦比亚大学研制出一种 “纳米蜘蛛”微型机器人，该机器人只有4nm大小，由DNA分子构成，能够跟随DNA的运行轨迹移动，在二维体表面可以行走100nm，可用于医疗领域，进行疾病诊断、协助手术过程、清理血管垃圾等。加拿大、法国、日本、瑞士、以色列、德国等国也在纳米机器人领域开展了富有成效的研究工作。加拿大蒙特利尔理工大学在纳米机器人的运动控制方面取得了进展：在计算机控制下，成功地引导了一个微型装置在活体动脉内以10cm/s的速度运动。法国国家科研中心则成功地利用特种显微镜仪器，让一个分子做出了各种动作。日本东京大学的科学家成功地将2个分子机器人组装在一起，形成了一个分子机器复合体，紫外线和可见光能够为这个超微型分子机器提供动力。利用光的控制，这个分子机器人能够充当“机器人外科医生”，可穿行于人体血管以及杀死癌细胞。瑞士苏黎世实验室和巴塞尔大学、韩国等都研制出了不需要电池的纳米机器人，为纳米机器人未来在医疗中的应用拓宽了方向。以色列的科学家发明了一种只有几毫米大小的微型机器人，该机器人能够凭借细小的附属肢体在血管里附着和移动，科学家通过在病人体外制造磁场来控制这些附属肢体的动作，所制造的磁场能够使微型机器人的肢体发生振动，并且在血管中进行运动。在纳米加工或操作的自动化装置方面，德国曾经研制出具有信息处理、导航和通信能力的微型直升机，这种基于多方面纳米技术的微型飞机可以旋停、低飞、高飞，可以实现侦察、引导导弹攻击目标等功能。我国纳米机器人的研究工作开展不多，研究工作主要集中在沈阳、重庆、上海、北京等地，其中北京在生物纳米机器人的部分领域已经达到国际先进水平。

当前生物纳米机器人研究工作已从第一代生物机械简单结合系统（例如用碳纳米管作结构件，分子马达作为动力组件，DNA关节作为连接件等）发展到第二代由原子或分子装配的具有特定功能的分子器件（例如直接用原子、DNA片断或者蛋白质分子装配成生物纳米机器人），未来还将向第三代包含纳米计算机在内的进行人机对话的操控性纳米机器人发展。第三代生物纳米机器人目前还处于设想阶段。目前，在全世界范围内用于严格意义上纳米加工或操作的自动化装置发展较少，包括以环境扫描电镜为平台的多功能微纳操作、表征及微加工系统等，能对微小零部件进行纳米级加工的“纳米车床”等主要还停留在概念设计阶段。

2 纳米机器人

一般认为，纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，在纳米尺度上应用生物学原理，研制可编程的分子机器人。它是纳米机械装置与生物系统有机结合的产物。当人体某个部分感染时往往会服用或注射抗生素，但是抗生素在血液里会被稀释，真正起到治疗效果的只有一小部分药物，大部分人则可以直接把小剂量的药物送至感染部位，减少了副作用，还提高了治疗效果。在生物医学上，科学家还利用纳米技术制造纳米机器人，让它在人的血管网络中漫游，进行巡逻和检查，尽早发现异常细胞，而且可以对人体内细胞组织进行修复。它不仅可以完成早期诊断工作，更重要的是可以充当微型医生发挥治疗作用，解决传统医生难以解决的问题，如：杀死癌细胞、疏通血栓、清除动脉脂肪沉积物等。这种简单的机器人，可以是一个人造红细胞，约由1800 万个主要是碳的原子构成，能模仿正常的充满血红素的血红细胞行为，该装置上的压力传感器可接收医生的信号，在人体内的它们还可以实时监测人体在不同条件下的各类信息，如不同时间人体内不同位置处的各类化合物的水平，从而形成动态图像，形成了一种新的医学成像方法。纳米机器人还可以用来为人体器官做手术、为脑部动手术等。

3 纳米机器人的应用

目前，纳米机器人尚在研究开发阶段，但其潜在应用十分广泛，主要体现在医疗和军事上。

3.1 纳米机器人在医疗上的应用

在生物医学上，纳米技术具有无限的潜力，纳米机器人的研制成功成为纳米研发领域的骄傲。纳米机器人不但能够修复细胞与基因，还能够清除体内垃圾、养护血管。

（1）细胞与基因的修复。随着人类对物质控制能力的不断进步，分子大小的机械部件将会诞生，它们可以组装成比细胞还要小的微型机器。人工制造的“细胞修复机”在纳米计算机的操纵下，可以对原子逐个进行操作，修正DNA的错误，维护个别细胞的成分，从而达到对整个基因细胞的修复。

（2）清理体内垃圾。人体是一个保持自然平衡的有机体，新陈代谢的过程可以起到吸收新鲜养分、排除有害物质的作用。但有时候人体自身平衡出现问题，无法实现自我平衡。例如，人体铅、汞中毒后，机体无法排出，也无法分解这些元素。这时，如果让纳米机器人进入体内，就会极具目的性地把这些有害物质清出体内，使人体恢复自然平衡。

（3）养护血管。人体的脑部血管有些地方天生脆弱，平时很难被察觉，但在意外情况下，可能会突然发生破裂，导致脑溢血。如果让纳米机器人事先进入血管，仔细检查，并且一一修复那些脆弱血管，就可以避免这类悲剧的发生。有时血管中会产生血栓，堵塞血液正常流动。如果将纳米机器人导入血管，可以把血栓打成小碎片，避免血栓的进一步扩大。

3.2 纳米机器人在军事上的应用

世界各国的军备竞赛已经延伸到了纳米领域，各国都在探索利用纳米技术进行军事装备的升级与改造。多国已经开展了有关纳米机器人在军事应用上的探索，主要体现在以下几个方面。

（1）用于传统的武器装备中。纳米机器人用于传统的武器技术装备，能够改善装备材料、工艺、控制系统、制导系统、运输和储存方式，提高传统武器技术装备的技术性能，使作战装备的杀伤效能得到有效提高。

（2）用于开发新的人体作战手段和方式。特殊的纳米微型组件能够堵住人体的脸、鼻、口、眼或粘住手、脚等，利用其这一特性，可以限制敌军的活动。

（3）研制纳米武器。纳米武器是纳米机器人在军事应用上的另一个研究热点，如果将纳米武器注入到人造或杂交的昆虫体内，昆虫便将这些纳米武器传播到敌国军民的身体中，造成巨大的杀伤力。同时，纳米机器人还可通过自我复制或自我繁殖的方法迅速在敌方阵营中扩散。随着纳米武器的诞生和大量运用，传统的作战方式不断更新，纳米技术水平的高低对战争的胜负影响越来越大。

4 纳米机器人发展的前景展望

在21世纪，纳米科学技术将成为科学技术发展的主流。纳米机器人的发展是化学、物理、生物、工程、医学、材料科学等多门学科发展的结果，必将促进21世纪科学技术大军的跨学科教育。纳米机器人将对21世纪初的经济与社会产生深刻影响，也许可与信息技术、细胞生物学、遗传生物学与分子生物学的影响匹敌。从应用的范围和潜力方面讲，无论是军用还是民用，纳米机器人的未来是不可估量的，由于其不同的功能，高表面积与体积比，纳米结构对于化学和生物传感器、医疗设备、触媒、光电材料和纳米元件非常重要。多种材料选择加上不同的合成策略，产生了不同形态的纳米材料，如纳米级薄膜、纳米线、纳米管、纳米带、纳米粒子和纳米多孔结构等。这种多功能的和多成分分层的异晶结构是非常有用的，必将在许多方面影响我们的生活，从纳米汽车到纳米电子技术，随着纳米机器人技术逐渐产业化和日趋成熟，其产业化和市场化的前景是十分可观的。

5 结 论

随着科学技术的不断发展，纳米机器人已经与信息技术、生命科学技术等一起成为科学技术进步的重要方向。纳米机器人的设计与制造已成为世界上人们关注的热点，成为21世纪科学技术进步的发展动力。纳米机器人的发展方向是多种技术的综合应用，以实现各种技术的优势互补。因此要想通过纳米机器人的研发带动纳米技术的整体蓬勃发展，还需要研究人员不断开拓创新，逐一解决研发中的各种问题，为早日突破纳米机器人技术占领世界技术至高点奠定基础，最终使纳米机器人早日走入人民生活，造福人类。

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