纳米机器人

纳米机器人

前言

爱因斯坦曾预言：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”理查德·费曼是继爱因斯坦之后最有争议和最伟大的理论物理学家，

1959年他在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：将来人类

有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构

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。从分子和原子着手改变和组织分子是化学家和生物学家意欲到达的目标。这将

使生产程序变得非常简单，你只需将获取到的大量的分子进行重新组合就可形

成有用的物体。但洞察微观世界的秘密，需要借助仪器来开拓视野、延伸双手。纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界。

纳米机器人的概念

纳米生物学的产生是与扫描探针显微镜(SPM,即Scanning Probe Microscope)的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中

最复杂的事情。不同于宏观生物学，纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得

了可喜的成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。纳米生物学的加工技术可以向生物细胞学习。

纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，涉及

的内容可归纳为以下3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。

③纳米机器人的研制。

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”;其研制属于分子仿生学的范畴，所以纳米机器人也称“分子机器人”。理论上讲纳米机器人是大量原子或分子按确定顺序

聚集而成为具有确定功能的微型器件。某些情况下，能进行纳米尺度微加工或

操作的自动化装置也被称之为纳米机器人。因此，广义上来说，纳米机器人可

分为生物纳米机器人和进行纳米加工的自动化装置2种。

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。第

三代生物纳米机器人目前还处于设想阶段。

面临的难题

为了让纳米机器人具有实用性，需要重点解决三个问题：导航，动力，移动方式。

•导航机制

导航可以分为外部导航和机载导航。

外部导航系统：发送探测信号来定位。

可以使用很多不同的方法指示纳米机器人到达正确的位置。其中一种是让

纳米机器人发出超声波脉冲信号，使用者通过使用带有超声波传感器的特殊设

备来检测信号，从而跟踪纳米机器人的位置，指引它去往目的地。其他检测方

法也包括放射性染料、X射线、无线电波或热量等。

机载导航系统：内部传感器。

一个带有化学传感器的纳米机器人可以探测并根据特定的化学物质进行追踪，找到目的地。光谱传感器，能够从周围采样，探知周围物体发出的光谱，

发现所要寻找的部位。

•动力系统

可以从两个方面来考虑，一种是小到足以放进纳米机器人体内的电池，另

一种是利用核能。将来，纳米机器人的动力最有可能是来自外部，从周围环境

中获取能量。

•移动方式

移动方式即推进系统。

科学家希望从微生物中获取灵感。如草履虫可以滑动纤毛在水中活动，细

菌通过舞动鞭毛可以自由移动。

纳米机器人也可能通过振动膜的交替收缩和扩张来产生微弱的动力，使其

移动。

由于找不到足够小的动能装置来充当纳米机器人的发动机，科学家曾经一度

认为无法制造出纳米机器人。但制造纳米机器人并非都是从“零”开始。自然

界中的生物分子是存在的最丰富的构建纳米机器人零件的来源，纳米机器人可

以利用生物分子自己完成零件组装。目前，科学家找到了利用精子驱动纳米机

器人的方法。一个纳米机器人制造成功，会拥有生物的DNA还具有自我复制的

特性，如果输入相关指令，由生物分子组成的纳米机器人就可以完成自我复制。如果第一个纳米机器人能够制造出两个复制体，这两个复制体每个又可制造出

两个自己的复制体，很快就可以获得万亿个纳米机器人，从一个变为上亿个。

纳米机器人执行任何任务，包括自身复制，都必须动用大量的纳米机器。血液

里可能存在数以百万计的纳米机器人；在每一个有毒废物地点可能需要数以万

亿计的纳米机器人，要制造一辆汽车可能要调动数以100亿亿计的纳米机器人

同时工作。然而，没有一个生产线能生产如此巨大数量的纳米机器人。

但是，纳米科学家眼中的纳米机器可以做到这点。他们设计的纳米机器人

可以完成两件事：执行它们的主要任务和制造出它们自身完美的复制体。如果

第一个纳米机器人能够制造出两个复制体，这两个复制体每个又可制造出两个

自己的复制体，很快就可以获得数万亿个纳米机器人。

但是，假如纳米机器人忘记停止复制，会发生什么？如果没有一些内建的

停止信号，纳米机器人忘记停止复制，这种灾难的可能后果将会是无法计算的。纳米机器人在人体内快速复制，能够比癌症扩散还要快地布满正常组织；一个

发疯的制造食物机器人能够把地球的整个生物圈变成一块巨大的奶酪。

纳米机器人的作用机理

纳米尺度调整杀死变异的癌变细胞，通过外部激光器指引，精确计算找出

辐射超标的癌变细胞，利用先进的生物细胞溶解技术将可能病变的细胞溶解成

化学分子元素，并通过特定传感器系统精确的核查后，将细胞组分成功进入健

康细胞中，完成坏死细胞与成功健康细胞的转换。科学家根据分子病理学的原

理已经研制出各种各样的可以进入人体微观世界行走的纳米机器人，有望用于

清除有害物质、修复损坏基因、激活细胞能量、维护人体健康和延长人类寿命。医用纳米机器人目前还处在试验阶段，大到长几毫米，小到直径几微米；但可

以肯定的是，未来几年内，纳米机器人将会带来一场医学革命。

纳米机器人的应用

有关专家预言：用不了多久，个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源

不断地进入人类的日常生活。中国科学家和未来学家周海中在1990年发表的《论机器人》一文中甚至预言：到21世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的工作和生活方式。

医疗卫生领域

纳米机器人在许多领域都有着广泛的应用，其中最重要的就是在医疗卫生

领域的应用。近年来，医用纳米机器人的研发取得不少可喜的成果。例如，

2012年7月美国佛罗里达大学的科学家研制出一种能够100%地杀灭丙肝病毒的纳米机器人。又如，2013年6月日本东北大学的科学家开发成功可以摧毁癌细

胞的纳米机器人;同年12月韩国全南大学的科学家研发出可对大肠癌、乳腺癌、胃癌和肝癌等高发性癌症进行诊断和治疗的纳米机器人。再如，今年4月以色

列巴伊兰大学的研究人员成功地用DNA链造出了一种能在活动物体内按照编制

的程序执行逻辑操作的医用纳米机器人。