纳米机器人发展综述

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【摘要】随着纳米时代的到来，纳米机器人已经成为当前研究的热点。本文主要介绍了国外研究纳米机器人的情况，包括纳米蜘蛛机器人、纳米磁性粒子和基因修复纳米机器人，以及国内研究纳米机器人的现状。

【关键词】纳米机器人纳米蜘蛛纳米磁性粒子基因修复

1前言

早在1959年率先提出纳米技术的设想是诺贝尔奖得主、理论物理学家理查德-费曼，他提出利用微型机器人进行治病的想法。理

查德·费曼在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：人类将来有可能建造一种分子大小的微型机器，以分子甚至单个的原子作为部件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。

随着技术的发展，理查德-费曼的想法正在逐渐被实现。1981年，格尔德·宾宁（G ．Binnig ）及海因里希·罗雷尔（H ．Rohrer ）在IBM 位于苏黎世的实验室发明了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Mi -croscope,STM ），随后，G.Binning 等人又在STM 的基础上发明了原子力显微镜（Atomic force microscope,AFM ）[1]。从此，人类能够观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，还可以在低温下（4K ）利用探针精确操纵原子，它们既是纳米科技的重要测量工具又是加工工具。自此，人类开始进入纳米时代，纳米机器人的概念也就应运而生。

所谓纳米机器人，是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的"功能分子器件"[2-3]。从技术层面讲，纳米机器人分为两类：一类是体积为纳米级的纳米机器人，一类是用于纳米级操作的装置[4]。限于技术水平，目前并没有真正意义上的纳米级体积、可控的纳米机器人，而用于纳米级操作的装置，只要求装置的末端操作尺寸微小精确即可，并不要求装置本身的尺寸是纳米级的，与常规机器人类似，因此发展较快，比如STM 和AFM 。

2纳米机器人国外的研究现状2.1纳米蜘蛛机器人

2010年5月，美国哥伦比亚大学的科学家成功研制出一种由脱氧核糖核酸（DNA ）分子构成的纳米蜘蛛机器人，如图1所示。这种机器人能够跟随DNA 的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止，并且他们能够自由地在二维物体的表面行走。这种纳米蜘蛛机器人只有4纳米长，比人类头发直径的十万分之一还小。

图1纳米蜘蛛机器人

科学家通过编程，能够让纳米蜘蛛机器人沿着特定的轨道运

动。这一研究成果表明：一旦被编程，纳米蜘蛛机器人就能自动完成任务，而不需要人为介入。因此，纳米蜘蛛机器人被认为是用于医疗事业、帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的、帮助人们完成外科手术、清理动脉血管垃圾等领域的最理想工具。

当然，科学家还在不断地对纳米蜘蛛机器人进行改进，他们的目标是：在未来创造大量这种纳米机器人，让他们自动且不间断地在身体内巡逻，寻找各种疾病信号，为医生做出更精确的诊断提供依据。

2.2纳米磁性粒子

不久前的"WSJD 在线"全球技术大会上，谷歌X 实验室生命科学小组负责人安德鲁·康拉德透露，谷歌正在设计一种纳米磁性粒子，这种粒子可以进入人体循环系统，进行癌症和其他疾病的早期诊断。纳米磁性粒子，其实就是纳米机器人。

当你感冒发烧，医生在你的血液里植入纳米机器人，这种机器人在体内探测感冒病毒的源头，并达到病毒所在处，直接释放药物杀灭病毒。不光是感冒发烧，在同样机理下，精确找到并杀死癌细胞、疏通血栓、清除动脉内的脂肪沉积、清洁伤口、粉碎结石等，都会是纳米机器人的拿手好戏。更为不可思议的应用，是将纳米机器人当作媒介，连接人脑神经系统和外界网络系统，为开发人脑智力和潜力带来无法想象的革命，彻底改变生活和工作方式，甚至是人类本身。

虽然想象无比美好，美国、日本等一些研究机构也都成功研发出了应用于各种疾病检测治疗的纳米机器人，但迄今为止，纳米机器人技术依然停留在研发试验阶段，还没有哪个项目的成果真正进入临床。

2.3基因修复纳米机器人

美国佛罗里达大学化学副教授查尔斯·曹和医学院胃肠道及肝脏研究主席、病理学教授刘晨领导开发出一种瞄准肝脏中C 型肝炎病毒的纳米机器人，称为"纳米酶"，它是由黄金纳米粒子作主支架，表面主要是两种生物成分：一种能破坏有"基因传令官"之称的mRNA （信使核糖核酸）的酶，而mRNA 可制造导致疾病的蛋白质；另一种是DNA （脱氧核糖核酸）低核苷酸大分子，能识别目标遗传物质，并通知它的酶伙伴来执行任务。"纳米酶"还可通过剪裁来匹配攻击目标的遗传物质，并利用身体固有的防御机制潜入细胞内而不被觉察。

实验中，这种新式纳米粒子几乎能根除C 型肝炎病毒感染，可编程性还让它们有可能抵抗多种疾病，如癌症及其他病毒感染。研究人员指出，这种纳米机器人还需要进一步实验以确定其安全性，将来可能采用口服药丸的形式。

3纳米机器人国内的研究现状

据报道，中国科学院沈阳自动化所研制成功一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机，并通过了国家"863"自动化领域智能机器人专家组的验收。这台"纳米微操作机器人"能在一块硅基片上2平方微米(一微米为百万分之一米)的范围内清晰刻出"SIA"三个英文字母(沈阳自动化所的缩写)。另一个演示显示，机器人成功将一个4微米长、100纳米粗的碳纳米管，准确地移动到了一个刻好的沟槽里，也就是说，该机器人误差不超过千万分之一米。

在纳米尺度上的操作，被称为"纳米微操作"，是纳米技术的重要内容，其目的是在纳米尺度上按人的意愿对纳米材料实现移动、整形、刻画以及装配等工作。这台机器人系统在纳米尺度下的系统建模方法、三维纳观力获取与感知及误差分析与补偿方面有很多突破与创新。

尽管如此，但我国纳米技术研发力量比较分散，难以形成规模优势。研发力量主要集中在津京地区的高等院校和科研院所。企业

纳米机器人发展综述

梁顺可

（华南理工大学广州学院，广东

广州510800

）