納米機器人技術(shù)是科幻小說嗎？直到大約十五年前，它還是科幻小說。自 2004 年首次研究出頭發(fā)絲般粗細(xì)并能移動的納米設(shè)備以來，科學(xué)界開始考慮這一研究領(lǐng)域的可能和具體應(yīng)用，該領(lǐng)域在無限?。ǔ轿⑿?，超越 "微"）的平面上運行，橫跨機器人工程、納米技術(shù)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和納米制造工藝。

什么是納米機器人技術(shù)？

納米機器人學(xué)是一門利用納米技術(shù)特有的技術(shù)和方法，在納米尺度上制造機器人的學(xué)科。

我們正處于 "納米 "的領(lǐng)域，即無限小的領(lǐng)域。納米級機器人 "是納米機器人，也稱為 "納米機器人"，是一種尺寸在 0.1 到 10 微米之間的裝置。納米（nm）相當(dāng)于一米的十億分之一，微米（μm）相當(dāng)于一毫米的千分之一。

2004 年，美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的美國研究員卡洛斯-蒙泰馬格諾和他的團隊開發(fā)出了第一個以葡萄糖為燃料的納米機器人，其厚度還不及人類的頭發(fā)絲。

該裝置的推進力是通過使用老鼠心肌的微小碎片實現(xiàn)的，能夠以每秒 40 微米的速度移動。

由于它的尺寸和所使用的技術(shù)，納米機器人在未來可能的應(yīng)用領(lǐng)域中將包括所有需要原子級精度的任務(wù)，這一點是顯而易見的。

其中包括--僅舉一個最有力的例子--制造小到足以穿透活細(xì)胞（動物或人類）的機器，以釋放分子、攻擊腫瘤塊、更換或修復(fù)細(xì)胞器或執(zhí)行所有通常需要侵入性顯微外科手術(shù)的操作。

乍一看，這一切似乎都是科幻小說。然而，在過去的十年中，隨著納米制造技術(shù)的不斷完善，制造出細(xì)胞大小的微小生物兼容機器人，并能將其注入人體--在人體內(nèi)移動、運作，就像現(xiàn)實中的全尺寸機器人一樣--的目標(biāo)正變得越來越近。

納米機器人（或納米機器人）的外觀和工作原理

納米機器人 "和 "納米機器人 "指的是能夠?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)化為運動的自走式納米級裝置。納米機器人與納米粒子（由直徑約為 1 至 100 納米的原子或分子聚合體形成）不能混淆：雖然它們可以注入人體用于診斷和治療，但與納米機器人不同，它們不是機器，因此不能自主移動、行走或游泳。

在蒙特馬格諾教授的團隊進行了首次實驗后，2005 年，同一批加利福尼亞科學(xué)家設(shè)計出了一種擁有兩條小腿的納米機器人，它的機械關(guān)節(jié)由大鼠心肌細(xì)胞驅(qū)動，無需外部電源，能夠移動和彎曲。從那時起，無數(shù)的研究接踵而至，迄今為止，已有許多納米機器人的實例。

最豐富的研究是利用磁場引導(dǎo)納米機器人的研究，其中特別包括一種利用趨磁細(xì)菌的研究，這類細(xì)菌會沿著地球磁場線排列。

這些細(xì)菌（其中在實驗室中應(yīng)用最廣泛的是海洋磁球菌）附著在納米機器人的頭部，能夠通過外部磁場精確地引導(dǎo)該裝置。

接著，利用磁性材料制作了螺旋形狀的納米機器人；在構(gòu)成裝置的聚合物上放置磁性材料的試樣；以及在聚合物結(jié)構(gòu)本身內(nèi)部放置磁性材料的納米機器人。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和以色列理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種磁控彈性聚吡咯納米線，長約 15 微米（百萬分之一米），厚約 200 納米，能以每秒 15 微米的速度在流體生物環(huán)境中游動，可用于給藥和磁控攻擊癌細(xì)胞。

另一方面，費城的德雷克塞爾大學(xué)開發(fā)了一種方法，利用電場幫助納米機器人探測路徑上的障礙物，并在感興趣的區(qū)域靈活移動，其應(yīng)用可能包括未來的體外給藥和干細(xì)胞操作。

納米機器人技術(shù)的另一個趨勢是由納米粒子和生物分子混合制成的納米級 "火箭 "形納米機器人，可在任何環(huán)境中高速遙控移動。

在生物材料方面，美國加州理工學(xué)院的研究人員創(chuàng)造出了由 DNA 鏈制成的納米橡膠，能夠提升和移動微顆粒；荷蘭屯特大學(xué)和德國開羅大學(xué)聯(lián)合研究，創(chuàng)造出了受精子啟發(fā)的納米機器人--始終由振蕩的弱磁場控制--用于微操作應(yīng)用和靶向治療。這樣的例子不勝枚舉。

讓我們記住，所有這些都是在實驗室中研究和測試（而不是在人體上）的納米設(shè)備。具體應(yīng)用于人體的道路還很漫長。不過，在科學(xué)進步的領(lǐng)域中，這是大有希望的。

用于醫(yī)學(xué)的納米機器人技術(shù)

正如預(yù)期的那樣，醫(yī)學(xué)是納米機器人研究的主要應(yīng)用領(lǐng)域。通過使用納米設(shè)備和納米技術(shù)，醫(yī)學(xué)本身也變得 "納米 "了。

例如，在美國，納米醫(yī)學(xué)早在 20 世紀(jì) 90 年代初就已開始討論，特別是在精確給藥和某些診斷過程中使用納米粒子。

但隨著納米機器人技術(shù)的出現(xiàn)，這方面的研究才取得了進一步的進展。盡管面臨的挑戰(zhàn)很多。首先是如何管理納米機器人在以液體為主的微環(huán)境（如人體）中的有序和可控運動。

針對這一問題，過去曾設(shè)計出能夠行走、跳躍甚至游泳的納米機器人，這要歸功于外部操控的磁鐵、電場或光刺激。

關(guān)于這一特定主題的最新研究包括一種 5 微米長的納米機器人，它有兩個磁性鎳臂，能在磁場作用下移動，能在血液等粘性液體中游動，以便在人體需要的確切位置運輸和釋放藥物。

該裝置由美國加州大學(xué)圣迭戈分校納米工程系、中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)和以色列海法大學(xué)的科學(xué)家們模仿人類在水中的運動方式研制而成。

除了在體內(nèi)運輸和釋放藥物外，納米機器人技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用還包括神經(jīng)刺激。蒙特馬格諾教授的團隊在 2004 年構(gòu)思的納米裝置就是這方面的一個早期和初步的例子，它是用動物肌肉纖維制成的。

這種經(jīng)過修改和優(yōu)化的系統(tǒng)可以幫助因橫膈膜肌肉神經(jīng)（膈神經(jīng)）受傷而導(dǎo)致呼吸困難的病人：插入人體后，通過彎曲壓電材料或硅線，彎曲產(chǎn)生的放電可以刺激膈神經(jīng)。

2020 年末，紐約州康奈爾大學(xué)的研究人員實現(xiàn)了另一個重要的里程碑，首批納米機器人集成了半導(dǎo)體元件，能夠通過標(biāo)準(zhǔn)電子信號行走。

目前正在進行測試的納米機器人與以前的納米機器人不同，以前的納米機器人能夠通過外部操縱的磁鐵移動，而這些納米設(shè)備實際上是具有功能腿的微型機器人。

設(shè)計它們的研究小組已經(jīng)在考慮如何通過使用更復(fù)雜的電子設(shè)備和機載計算來增強它們的功能。通過改進，未來可能會出現(xiàn)成群結(jié)隊的微型機器人，它們可以重組組織、縫合血管，并被大規(guī)模送往動脈和大腦區(qū)域進行探測。

一組納米機器人攻擊腫瘤塊的插圖。

治療癌癥的納米機器人

治療腫瘤疾病是納米醫(yī)學(xué)最大的治療領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的侵入性和侵襲性化療不同，正是由于注入體內(nèi)的納米粒子體積小，因此可以輕松到達癌細(xì)胞，并直接在腫瘤附近釋放藥物，從而從內(nèi)部攻擊腫瘤，保護周圍的健康細(xì)胞和組織。

而納米機器人可以成為一種更精確、更有效的攻克癌癥的工具。如何做到？研究人員正在多個方面開展工作。

就用于給藥操作（即作為在癌細(xì)胞內(nèi)釋放物質(zhì)的載體）的納米機器人而言，所測試的模型性質(zhì)不同，在體內(nèi)移動的方式也不同。但就結(jié)構(gòu)和運行機制而言，它們的設(shè)計方式是相同的：一個基本模型由一只手臂和一只 "手 "組成，"手 "上可以放置活性成分--藥物。

從這種結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)具體需要，可以創(chuàng)造出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如，在需要同時釋放多種分子或更復(fù)雜、更有針對性的作用時，可以增加更多的臂。

如果可以通過修改中央結(jié)構(gòu)進行干預(yù)，那么尾部則是納米機器人的固定部分，也是最具戰(zhàn)略意義的部分，因為它能夠識別納米裝置何時到達腫瘤內(nèi)部。

尾部實質(zhì)上是一種適配體，即具有與分子或蛋白質(zhì)結(jié)合特性的核酸。為此，研究工作成功地設(shè)計出了特異性適配體，這種適配體只能與癌細(xì)胞所在區(qū)域或鄰近區(qū)域的實體結(jié)合，因此化療藥物只能在這一精確空間釋放，而健康組織不會受到影響。

在某些情況下，可以考慮使用能夠捕捉氧氣濃度的探針來代替適配體。這意味著什么？腫瘤由于細(xì)胞過度生長，會消耗大量氧氣。在氧氣濃度較低的地方，納米機器人會檢測到它位于腫瘤附近，從而釋放活性成分。

最近，通過組裝 DNA "薄片"，人們還成功地制造出了自主性越來越強的納米機器人。這種技術(shù)被稱為 "折紙科學(xué)"（Origami Science），因為 DNA 片的組裝讓人聯(lián)想到折紙。

2009 年，波士頓 Dana-Farber 癌癥研究所的科學(xué)家們率先將納米技術(shù)與古老的折紙藝術(shù)結(jié)合起來，通過折疊 DNA 的二維薄片來獲得多層次的三維結(jié)構(gòu)，為制造能夠作為 "貨物 "在細(xì)胞內(nèi)運輸藥物的納米裝置打開了一扇窗。

如今，在這些 "貨物納米機器人 "的表面，除了適配體之外，研究人員認(rèn)為還可以放置一種特殊的酶，即凝血酶，負(fù)責(zé)血液凝固。

因此，這些納米機器人被放置在血流中，并通過適配體識別它們何時進入癌塊。進入癌塊后，它們會釋放凝血酶，凝血酶會凝結(jié)成血塊，成功阻斷癌塊的血流，從而導(dǎo)致癌癥 "死亡"，即癌細(xì)胞壞死。

用于藥物輸送操作的納米機器人的實驗?zāi)Ｐ陀墒直酆汀笆帧苯M成，用于定位活性成分。然而，如果需要同時釋放更多分子或更復(fù)雜和有針對性的作用，則可以在此結(jié)構(gòu)中添加更多臂。