选修课论文纳米机器人

纳米机器人
-------治疗目前医学无法治愈的疾病一、纳米技术的含义
. 所谓纳米技术，是指在0.1~100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。

科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。

纳米技术与微电子技术的主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。

人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。

1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量学等6个分支学科。

其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

纳米是一个微小的长度单位，1纳米等于10亿分之一米。

根头发丝有7万到8万纳米。

纳米技术这个词汇出现在1974年。

纳米科学、纳米技术是在0。

10到100纳米尺度的空间内研究电子、原子和分子运动规律及特性。

纳米材料是纳米技术的重要的组成部分，也是国际上竞争的热点和难点。

碳纳米管自从1991年被发现以来，就一直被誉为未来的材料。

碳纳米管在强度上大约比钢强100倍，其传热性能优于所有已知的其它材料。

碳纳米管具有良好的导电性，在常温下导电时，几乎不产生电阻。

纳米陶瓷材料在1600摄氏度高温下能像橡皮泥那样柔软，在室温下也能自由弯曲。

从1998年世界上第一只纳米晶体管制成，到1999年100纳米芯片问世，使20世纪最后10年世界上出现的“纳米热”进一步升温。

(注：该部分内容参考百度文库) 二、纳米应用领域
经过以上介绍想必对于纳米会有初步了解了，下面再介绍一下目前纳米技术发展的领域。

现在纳米技术应用领域比较广泛，涉及陶瓷领域、微电子领域、生物工程、光电领域、化工领域、医学领域、分子组装方面。

1、所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。

要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散。

块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。

2、纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒
与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。

纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。

3,、众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。

生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。

美国南加州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题-"哈密顿路径问题"，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。

4、纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。

将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。

但是要获取高分辨率图像，就必需先进的数字信息处理技术。

科学家们发现，将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。

5、纳米粒子作为光催化剂，有着许多优点。

首先是粒径小，比表面积大,光催化效率高。

另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。

因此，电子、空穴能够到达表面的数量多，则化学反应活性高。

其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。

目前，工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含SO32-或Cr2O72-体系），已经取得了很好的效果。

6、随着纳米技术的发展，在医学上该技术也开始崭露头脚。

研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15~20nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。

10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。

如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。

科研人员已经成功利用纳米SiO2 微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。

另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类。

7、纳米技术的发展，大致经历了以下几个发展阶段：在实验室探索用各种手段制备各种纳米微粒，合成块体。

研究评估表征的方法，并探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。

利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。

目前主要是进行纳米组装体系、人工组装合成纳米结构材料的研究。

虽然已经取得了许多重要成果，但纳米级微粒的尺寸大小及均匀程度的控制仍然是一大难关。

如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，一直是科研工作者努力解决的问题。

目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。

科学家们设想能够设计出一种在纳米量级上尺寸一定的模型，使纳米颗粒能在该模型内生成并稳定存在，则可以控制纳米粒子的尺寸大小并防止团聚的发生。

可见纳米技术现在已经融入到生活很多领域了，接下来我就要说一下我想讲解的纳米机器人了。

三、纳米机器人
物理学家总是模拟生物学原理制作各种灵巧的机器，这就是仿生学。

仿生学是生物物理学的一个分支学科，它按照生物学原理提出设计原型，制造用于特殊目的的“功能器件”。

“纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴，它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”。

纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。

目前涉及的内容可归纳为以下三个方面：
1、在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。

2、在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。

3、纳米机器人的研制。

纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。

还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的ＤＮＡ，或把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。

第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。

这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。

高中学生物的时候，学到过细胞的组成成分，细胞是由细胞壁、细胞核、细胞质所组成。

是细胞质的基本成分，主要含有多种可溶性酶、糖、无机盐和水等。

细胞器是分布于细胞质内、具有一定形态、在细胞生理活动中起重要作用的结构。

它包括：线粒体、叶绿体、内质网、内网器、高尔基体、溶酶体、微丝、微馆、中心粒等。

细胞核，它是由核膜、核骨架、核仁构成。

就动物而说不具有细胞壁。

再说一下靶细胞，基本含义是某种细胞成为另外的细胞或抗体的攻击目标时，前者就叫做后者的靶细胞。

例如带有表面抗原的细胞受到免疫细胞或特异性抗体的攻击，它就是该抗原的靶细胞。

能够接受内分泌细胞分泌激素刺激的器官或细胞称为靶器官或靶细胞。

靶细胞具有与激素特异性结合的受体。

含氮激素的受体位于靶细胞膜上，类固醇激素的受体位于靶细胞质内，它们通过靶细胞内不同的信号传递系统，作用于细胞核内相应的基因，从而调节控制该基因的表达，产生相应的功能物质。

美国科学家破解部分病毒进入靶细胞的机理
美国西北大学的研究人员破解了一些病毒具有的一种叉状蛋白的结构，这些病毒正是通过这种结构进入细胞，继而诱发感染。

这种蛋白被称为融合蛋白，即F蛋白，首先发现于副流感病毒5的外表面，在感染细胞前通过F蛋白可以将病毒的细胞膜与宿主细胞膜融合。

随后，病毒细胞核内的遗传基因便可以进入宿主细胞，进行自身的复制增殖。

我所研究的论题是制造一种纳米机器人，具有细胞识别功能的，可作用于特定靶细胞的，用于解决一些难以治愈的疾病例如糖尿病，脑瘫以及癌症等。

首先这种纳米机器人要具备细胞的基本特征，进入人体内不会发生免疫排斥反应，带有特定的功能，能够起到修复细胞和消灭变异细胞的作用。

如美国科学家所做的一样，该种纳米机器人细胞膜上要具有F蛋白，与特定靶细胞膜进行融合，进而使纳米机器人内部正常的基因进入到病变细胞。

拿癌症举例，在叙述癌以前,首先对"肿瘤"加以说明。

肿瘤是身体的一部分细胞与机体的其他组织生长不协调,表现为任意地、无节制地增殖分裂,增长成一个大的组织块则为肿瘤。

肿瘤有良性的又有恶性的。

良性肿瘤逐渐增长时仅是压迫周围组织,而恶性肿瘤除了压迫以外还可以向周围浸润,也就是肿瘤组织不断侵
入周围组织,这种恶性肿瘤就称为 "癌"。

癌是怎样产生的？
学者们认为由起癌物质进入正常细胞后和遗传控制物质（如DNA, RNA, Protein）作用后产生的。

其作用的结果可产生两种效果，一为改变遗传物质的构造，使基因产生突变（见基因突变说）；另一为使基因的作用及表现受到改变但不影响到基因的构造（见蛋白缺如说，抑制物失效说及癌性基因说）。

人为什么会生癌，什么是癌细胞？
一个成人身体大约由近一千万亿个细胞组成。

细胞的种类非常多，可是个个识大体，顾大局，有分工，有合作，工作起来循规蹈矩，所以，把人体比作一个"细胞国家"，那是再形象不过的了。

"细胞国家"有时会出现一些不安定分子，在"教唆犯"的作用下，起来"造反"，不服从整体，自由主义泛滥，大搞特权，另立门户，严重危胁着"国家"的安全。

这些不安全的分子就是癌细胞.癌细胞是怎样产生的呢？谁是"教唆犯"呢？科学家们一百多年的研究认为病毒、霉菌、射线、化学致癌剂等是癌细胞的"教唆犯"。

人体细胞的代谢可使它们变为容易排泄的废物，被排出体外，但也可能在酶的生物转化作用下，使它们变成能直接引起细胞遗传物质DNA突变的最终致癌物。

这仅是癌形成过程的第一阶段，只需几秒钟至几小时。

第二阶段，最终致癌物质作用于细胞。

如经DNA修复有缺陷，DNA就发生突变，改变遗传的性能。

当细胞分裂繁殖时，下一代子细胞接受了错误的信息，形态就发生了变化，成为癌细胞，又慢慢地发展成癌细胞集团。

当它变成临床上能察见的癌时，虽然开始只有一个火柴头那么大，但已包含了三千万个癌细胞。

第二阶段则相当长，大约需要15到30年。

由于癌的潜伏期长。

所以癌症病人以老年人为多。

什么是癌细胞？癌细胞的特征前已说过，癌症是人体在各种致癌因素的作用下，局部组织细胞异常增生而形成的新生物。

不用说，癌细胞是由正常细胞转化而来。

而正常细胞一旦转变成癌细胞就获得了强大的生命力，并且有独特生物学特征和行为。

首先，癌细胞不断增殖，这种增殖不受身体内部调节机构的控制，更不是身体所必需。

我们知道，人体正常细胞有一个生长、繁殖、衰老和死亡的过程。

老化的细胞死亡之后就会有新的细胞来取代它，以维持身体组织、器官的正常功能。

故人体绝大部分细胞都可以增殖。

但是，正常细胞的增殖是有限度的，身体内部会自我控制。

如外后细胞即开始繁殖，但当伤口愈合后，在身体内部调节因素作用下，马上停止。

而癌细胞则不然，可以无止境地增生，直到人身死亡。

第二，癌细胞由于不能成熟（即分化障碍），故不具备对身体有任何益处功能，常常是“成事不足，败事有余”。

例如白血病，血液中出现大量的幼稚白细胞，但这些细胞不像通常白细胞那样，能抵抗入侵身体的细菌和病毒，相反，由于无休止地增殖而消耗大量的养分。

另外，有的癌症却表现出不具备的功能，后者与整体功能极协调。

如肺脏，并不是内分泌器官，但肺癌却能产生促肾上腺皮质激素，这些非常器官非常时期分泌的激素，严重地扰乱了正常生命活动和秩序，从而出现一系列病态。

第三，癌细胞无孔不钻，无处不到。

癌细胞大多呈侵袭性生长，破坏附近组织、器官的正常结构和功能，造成不同程度的功能障碍。

癌细胞非常好动，会从一个地方跑到另一地方（即转移），并继续生长繁殖，形成新的
癌瘤（转移癌灶），对身体造成更严重的危害，也大大地增加了治疗难度，是癌症病人死亡的主要原因之一。

（注：癌细胞介绍出自阿里医药）所以纳米机器人的作用就是直接消灭或吞噬掉或修复破损细胞，像癌细胞这种已经病变的细胞，纳米机器人的作用就是消灭癌细胞，具有特定细胞识别功能，进入人体后，找到病变细胞，进行细胞融合后将纳米机器人内部所带的消灭癌细胞的物质注入，直接杀死癌细胞。

采用这种方法可以直接消灭癌细胞，最终达到治愈的目的。

但是这里又面临一个问题，一个纳米机器人只作用一个细胞这个需要的成本太高，需要制造出的纳米机器人在进行细胞融合后还可以进行细胞分裂，再将自己分裂出去，作用于下一个病变细胞。

为了不会对身体产生影响，纳米机器人需要在一定时间内如十二小时候自行分解，这要求其内部带有溶酶体，再一定条件下激发，自己分解。

同样可以制造出治疗各种身体内部疾病的纳米机器人。

我认为纳米机器人的研发将会成为人类的有一个里程碑。