微纳米机器人，从科幻迈进现实

黄天云

现代科技的飞速发展，使人类有能力“上九天揽月，下五洋捉鳖”，开启迈向星辰大海的壮丽征途。不同于宏观尺度，近年来，来自各领域的众多科学家从理论构想、可行性验证到原理样机，正尝试如何在微尺度建造一艘“宇宙飞船”，进入微观世界探究其无尽的奥妙。

那些“疯狂的想法”

在《西游记》中，有许多关于孙悟空七十二变的经典桥段，其中幻化成各类极其微小的蚊虫与妖怪斗智斗勇的描写让人拍手称快。

20世纪60年代，著名物理学家理查德·费曼教授在一次演讲中提道：“当你在修理像你爱人手表这样小得令人沮丧的东西时，你是否对自己说，如果我能训练一只蚂蚁来做这件事就好了？而我想建议的是，先训练一只蚂蚁，然后让蚂蚁训练螨虫做到这一点。”这次演讲在学术界掀起了“如何建造微型机器人”的世纪大讨论，也预示着纳米技术与医用微纳米机器人时代的来临。

随着微纳米机器人概念的提出，各类相关微缩身体的影视桥段在科幻电影中屡见不鲜。第一部影响深远的科幻电影《奇幻航程》于1966年上映，讲述了如何通过微缩技术将潜艇缩小到血红细胞那么小，并被注射进人体深入病灶完成精准治疗的奇妙旅程。翻拍于1987年的《零度空间》也有相似的桥段。2015年上映的漫威电影《蚁人》中，利用量子微缩技术制造出了能让主人公瞬间缩小、与蚂蚁等昆虫进行交流并控制它们的“蚁人战衣”。《复联4》中更是出现了蚁人变小后潜入钢铁侠盔甲内拔下反应堆插头的场面。《喋血战士》《胜利号》《终结者5》等科幻电影中，也都存在利用纳米机器人进行自我修复的黑科技。

西游记

第16回：蜜蜂的“腰细身轻”“小小微躯能负重”“穿花度柳飞如箭”“却自椽棱下，钻出看分明”；

第21回：蚊子的“扰扰微形利喙，嘤嘤声细如雷”；

第32回：蟭蟟虫儿的“几番闲日歇幽林，一身浑不见，千眼莫能寻”；

第51回：苍蝇的“翎翅薄如竹膜，身躯小似花心”。

智能化发展趋势

现在，微纳米机器人早已不只存在于科幻电影，科学家们正努力推动它们从基础研究迈向现实应用。

随着近些年纳米技术与先进机器人学的发展，微纳米机器人的发展也突飞猛进，已从初期的单一结构功能化，向适应复杂微环境的智能化方向发展。

开启探索微观世界的大门

工欲善其事，必先利其器。机器被人类创造出来已有数十万年，它被用以弥补和增强人类的能力，以便将我们从繁重的任务和恶劣的工作条件中解放出来。

在工程中，机器的先进性通常体现在如何利用有限设计空间尽可能多地集成功能单元。回顾机器的整个发展史，特别是在20世纪60年代新兴纳米技术的推动下，微型化已成为机器从机械化、经电气化和信息化向智能化方向发展的必然要求，也代表着前沿科技与基础理论创新的发展方向。

机器的微型化除了推升宏观机器的性能，更重要的是开启了探索微观世界的大门。

微观世界蕴含着生命奥秘的钥匙，掌握这把钥匙将有助于探索智慧生命的起源，拓展人类认知世界的边界，发掘全新的科技交叉前沿。1953年是科技发展史上很重要的一年，沃森与克里克提出了DNA双螺旋结构模型，标志着生物学可以从分子层面探究生物体的结构功能，并以基因工程和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程等现代生物技术为手段，三维解构生物大分子、精准操控遗传物质、定向改造生物及其特定功能，创造出更加优良的新物种。

在此基础上，如何利用微纳米机器人进行跨尺度精准调控生物的宏观表现，在微尺度下与生物体建立有效交互机制，将有助于探索智慧生命生长与自组织演化的内在机理。

从生物中获得灵感

微纳米机器人的发展历史，可追溯到16世纪复式显微镜的发明，最具代表性的是伽利略首次发现昆虫的复眼微结构，以及罗伯特·胡克在《显微图谱》一书中首次定义了“细胞”一词来表述“最小的生物组成结构”。

20世纪60年代起，从理查德·费曼提出将微纳米机器人用于精准医疗的大胆构想，到以日本科学家福田敏男为代表的众多领域先驱做出微纳操作技术和微纳米机器人建造的早期尝试，微纳米机器人领域的学者用了近40年来验证在微小尺度建造机器人的可行性。

从21世纪初至今，以瑞士微纳机器人专家布莱德利·尼尔森、美国化学家约瑟夫·王、德国物理学家皮尔·费舍尔和仿生机器人专家梅廷·西蒂、罗伯特·伍德等为代表的不同领域专家，提出了各类微纳米机器人的设计方案，特别是以仿微生物的运动机构，如螺旋推进的鞭毛和纤毛为代表，从运动机理、纳米材料、制备工艺、驱控系统设计及各类生物医学应用等多个方面进行了系统性研究。

了不起的微纳米机器人

近些年，很多发达国家已将微纳米机器人列为重点发展的战略科研方向。

在生物医疗领域，微纳米机器人被誉为未来人体对抗疾病的终极武器，正在极大程度颠覆现代医学的诊疗范式。2010年，瑞士工程院院士布拉德利·尼尔森教授在《生物医学工程年度评论》上发表了具有里程碑意义的长文综述，奠定了微创介入治疗用微纳米机器人的发展方向，他也因在医用微纳米机器人领域的卓越贡献获得2020年哈姆丹医学国际最高奖。值得一提的是，2016年的诺贝尔化学奖首次颁给了三位微纳米机器人领域专家，以表彰他们在分子机器设计与合成方面做出的开创性工作，也预示着人类利用纳米机器人治疗疾病有望在2035年左右实现。

在基因編辑领域，纳米磁编辑技术在2019年首次展示出在纳米级精度上将多模态变体信息嵌入微机器的能力，其更重要的价值体现在利用纳米磁编码可构建起类似于DNA双螺旋的碱基配对，高效有序地进行各类功能微单元的可控装配。

在环境工程领域，捷克布尔诺理工大学马丁·普梅拉教授于2023年系统阐述了如何合成具有可编程自驱动运动功能的智能微纳米机器人来实现高效水体修复，这或许将为我国未来应对由海洋污染引发的一系列食物及清洁水短缺等问题提供全新的思路和有效方法。

尽管离科幻电影中微纳米机器人的无所不能还有相当一段距离，但现有技术已赋予微纳米机器人自主运动、靶向递送、精准微操作等各类功用，还能让其具备一定的环境感知与适应能力。我们有理由相信，经过科学家的不懈努力，未来，微纳米机器人随着更多功能的集成、各项性能的大幅提升，将颠覆众多传统领域，真正造福人类。

作者单位 北京大学工学院先进制造与机器人系、机器人研究中心、全国科普教育基地