纳米机器人

       纳米机器人的设想，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。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计，开发“在体”或“湿”的生物计算机或细胞机器人，从而产生了另种方式的纳米机器人技术。 　　

产生背景

　　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。他率先提出利用微型机器人治病的想法。用他的话说，就是“吞下外科医生”。理查德·费恩曼在一次题目为《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，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。

　　在1959年的演讲《在底部有很多空间》中，他提出纳米技术这一想法。虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上阐述了纳米技术的基本概念。

　　1990年我国着名学者周海中教授在《论机器人》一文中预言：到二十一世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。

　　2010年7月1日，美国密西西比州的湾港，墨西哥湾“深水地平线”号的漏油被冲上海岸。在应对漏油事故等环境灾难方面，纳米机器人的效率远超过传统方式。

学术设想

　　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，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下3个方面：

　　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。

　　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。

　　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。

　　纳米尺度调整杀死变异的癌变细胞，通过外部激光器指引，精确计算找到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。

技术原理

　　纳米生物学的产生是与SPM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。

　　事实上，每一个细胞都是一个活生生的纳米技术应用的实例：细胞不仅将燃料转化为能量，而且按照储存在DNA中的信息来建造和激活蛋白质和酶，通过对不同物种的DNA进行重组，基因工程家已经学会建造新的这类纳米工具，例如用细菌细胞来生产医用激素。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。

应用领域

　　纳米技术的大胆应用设想还包括：利用纳米机器将获取的碳原子逐个组织起来，变成精美的金刚石；将二氧化物分子重新分解为原来的组成部分；在人血中放入纳米巡航工具，它能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇，然后将它们一一分解；将来纳米机器能够把草地上剪下来的草变成面包……在完全意义上讲，世上每一个现实存在的物体无论是电脑还是奶酪都是由分子组成的；

　　在理论上，纳米机器可以构建所有的物体，当然从理论到真正实现应用是不能等同的。

　　但纳米机械专家已经表明，实现纳米技术的应用是可行的。在扫描隧道显微镜帮助下，纳米机械专家已经能将独立的原子安排成自然界从未有的结构。此外，纳米机械专家还设计出了只由几个分子组成的微小齿轮和马达。（切勿将这些齿轮和马达与那些由数以百万计分子组成的用传统技术构建的微小齿轮和马达相混淆，这些机器同未来制造的机器相比较实在是太巨大了）。

　　25年内，纳米技术学家期望实现这些存在于科学陈列室中的想法，创造出真实的、可以工作的纳米机器。这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种分子；有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作。“手指”可能由碳纳米管制造，它的强度是钢的100倍，细度是头发丝的五万分之一。“电脑”可能由碳纳米管制造，这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线。“电脑”也可能由DNA制造，用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人可以构建任何物质。

　　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。

　　纳米技术学家没有回避危险，但是他们相信他们能控制灾难的发生。其中一个办法是设计出一种软件程序使纳米机器人在复制数代后自我摧毁。另一种办法是设计出一种只在特定条件下复制的机器人，例如只有在有毒化学物质以较高浓度出现时机器人才能复制，或者在一个很窄的温度和湿度范围内机器人才能复制。

　　就像电脑病毒的传播一样，所有以上这些努力都无法阻止那些不怀好意的人有意释放某种纳米机器人作为害人武器。事实上，一些批评家指出纳米技术可能的危险要大于它的益处。然而，仅仅这些利益就已经太具诱惑力了，纳米技术必将超过电子计算机和基因制药而成为新世纪的技术发展方向。世界可能会需要一个纳米技术免疫系统，这个系统中纳米机器人警察不断地在微观世界中同那些不怀好意的机器人进行战斗。

中国应用

　　中国人也可以像摆棋子一样摆弄原子了。记者从中科院获悉，一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机由中国科学院沈阳自动化所研制成功，并通过了国家“863”自动化领域智能机器人专家组的验收。 在一个演示中，沈阳自动化所的研究人员操纵“纳米微操作机器人”，在一块硅基片上1×2微米的区域上清晰刻出“SIA”3个英文字母（沈阳自动化所的缩写）；另一个演示显示，在一个5×5微米的硅基片上，操作者将一个4微米长、100纳米粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。

　　纳米微操作机器人在10×10微米的基片上刻出的字样

　　测试显示，在刻画操作中，这台纳米微操作机器人在512个像素宽度的显示区域里，重复定位误差小于5个像素，精度达1%以上；在移动纳米碳管的操作中，重复定位精度达到30纳米；而在基于路标的定位测试中，其定位误差小于4纳米。 专家解释，1纳米是10^-9米，大约等于10个氩原子并列成一条直线的长度。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。纳米微操作始于20世纪80年代，IBM的科学家1989年利用扫描式隧道显微镜（STM）操作35个氙原子在镍金属表面拼出I－B－M三个字母，成为轰动世界的新闻，开了纳米微操作先河。从此，纳米操作技术作为一个重要的战略发展方向吸引各国竞相展开研究。 该项目研究人员介绍，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，都达到世界先进水平。 据介绍，这种纳米微操作机器人可广泛应用于纳米科学实验研究、生物工程与医学实验研究、微纳米科研教学等领域。如生物学研究领域中，使用纳米微操作机器人可完成对细胞染色体的切割操作；也可在DNA或分子水平上进行生化检测及病理、生理测试实验研究。此外这种机器人在IC工业中纳米器件的装配与加工方面也有良好的应用前景，如可以利用它操作纳米微粒，装配微/纳米电子器件，甚至复杂的纳米电路。这意味着，未来利用纳米电路制成的电脑和家用电器，可以“想要它有多小，就能做多小”，甚至可以“塞进牙缝”；而未来利用纳米操作技术制作的微型机器人，也可以钻入人体替病人疏通血管，或在肉眼看不见的微观世界里，完成人们自己不可能完成的任务。

国外应用

　　在美国科幻大片《惊异大奇航》中，科学家把变小的人和飞船注射进人体，让这些缩小的“参观者”直接观看到人体各个器官的组织和运行情况。然而在现实中，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的纳米机器人，有望用于维护人体健康。

　　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。

　　许多工程师、科学家和医生都认为，医用纳米机器人有着无限的潜力——而其中最有可能的包括：治疗动脉粥样硬化、抗癌、去除血块、清洁伤口、帮助凝血、祛除寄生虫、治疗痛风、粉碎肾结石、人工授精以及激活细胞能量，使人不仅保持健康，而且延长寿命。

研究进展

　　纳米机器人，外形仿照大肠杆菌。科学家将在2015年进行临床试验。纳米技术研究领域的科学家积极探索这项技术在其他方面的应用，例如水处理或者环境治理。将来可能会操控数百万个纳米机器人，让它们穿过被污染的水域，寻找和处理污染物而后将它们收集在一起。

　　在治疗心脏病时，纳米机器人将穿过一根直径2到3毫米的导管，进入需要治疗的特定部位。这种导管技术也可用于大脑以及其他部位，例如肠道和尿道。进入这些部位的最大难度就是一定要达到极高的精确度。出于这个原因，纳米技术长久以来一直被誉为未来对抗癌症的最理想武器。

　　纳米机器人在绝对无尘室制造，防止它们感染细菌。这种制造方式在很大程度上与电脑芯片类似。尼尔森指出这一次的成功测试给了他们很大鼓励，促使他们探索纳米机器人的其他应用，例如治疗心脏病。

　　科学家在极为脆弱的环境下对纳米机器人进行活体测试，这个极为脆弱的环境便是眼睛。测试中，它们穿过玻璃体——充满视网膜与晶体之间眼球的无色透明胶状物质——将药物送入视网膜，治疗与衰老有关的疾病，例如黄斑变性。黄斑变性可导致失明。

　　尔森的纳米机器人可能并不携带一把微型手术刀，但它们拥有一些非常独特的东西。它们的外形仿照大肠杆菌，利用被称之为“鞭毛”的旋转尾巴驱动身体前行。

　　个装有大肠杆菌的培养皿。细菌拥有一个回转马达。现在，我们还无法制造这种马达，我们没有这方面的技术，但我们能够借助磁场实现相同的目的。我们采用了鞭毛的设计，对其进行磁化，允许机器人游动。

　　纳米机器人作为应用纳米科技生产的微型机具，在近年来取得了显著的进展，尤其是在医疗、环境保护和工业制造等领域展现出广阔的应用前景。以下是纳米机器人最新进展的详细概述：

一、医疗领域

　　1、药物递送：

　　纳米机器人能够通过精准定位，将药物直接输送到病灶部位，如肿瘤组织，从而减少对健康细胞的损害，实现靶向治疗。例如，国家纳米科学中心的研究团队已经成功研制出药物递送DNA纳米机器人，并在活体（小鼠和猪）血管内完成了定点药物输运功能。

　　这些纳米机器人能够根据药物递送的不同目标做成各种形状，如柔软的“纳米布”或“纳米管”，并通过特异性DNA适配体功能化，精确靶向定位肿瘤血管内的皮细胞后释放药物，诱导肿瘤血管栓塞和组织坏死。

　　2、疾病诊断与治疗：

　　纳米机器人能够进入人体内部，执行微创手术，精确治疗疾病和肿瘤。它们可以在血液、胃液等复杂环境中识别并定位病变细胞，为疾病的早期检测和治疗提供新的解决方案。（来源：百家号）

　　例如，武汉理工大学的研究团队成功研发出可放入动物体内的溶栓纳米机器人，这是全球首例此类技术，展示了纳米机器人在心血管疾病治疗中的潜力。

　　3、生物兼容性与安全性：

　　纳米机器人的生物兼容性方面也有新进展，能够保证它们在人体内不引发免疫反应或其他不良副作用。研究者们正在努力开发能够根据体内环境变化自我调整行为的纳米机器人，以提高治疗的安全性和有效性。

二、环境保护领域

　　纳米机器人能够利用其微小的尺寸和精确操作能力，进入狭小空间并执行特定任务，如检测和修复管道中的漏洞，清除水体中的污染物等。这些应用对环境保护和可持续发展具有重要意义。

三、工业制造领域

　　纳米机器人在工业制造中也有着广泛的应用前景。它们可以在微观尺度下进行精确操作，提高制造精度和效率。随着纳米机器人技术的不断进步，其在工业制造领域的应用将更加广泛和深入。

四、研发与投资

　　全球范围内对纳米机器人技术的研发投入不断增加。中国报告大厅的数据显示，我国医用纳米机器人行业的研发投资规模从2016年的约0.35亿元增长到2021年的1.22亿元，显示出行业快速发展的趋势。

五、国际合作与交流

　　国际间关于纳米机器人技术的交流与合作也在不断加强。例如，“机器人+先进技术国际会议(2024)”就围绕微纳机器人、工业机器人、医疗机器人等版块展开了深入讨论和交流，促进了机器人技术的国际化发展。

　　综上所述，纳米机器人在医疗、环境保护和工业制造等领域取得了显著进展，并展现出广阔的应用前景。随着科技的不断进步和研发投入的增加，纳米机器人技术将在未来发挥更加重要的作用。

用途

　　纳米机器人的用途非常广泛，可以归纳为以下几个主要领域：

医疗领域：

　　诊断和治疗：纳米机器人可以被设计成能够在人体内进行精确的诊断和治疗。例如，它们可以用于捕捉和移动单个细胞，清除血管壁甚至心脏动脉上的脂肪沉积物，帮助治疗心血管疾病。此外，纳米医用机器人还可以用于探测病变发生的位置，并针对单个的病变细胞释放精确剂量的药物，以降低药物的副作用并提高疗效。

　　微创手术：纳米机器人在微创手术中发挥重要作用，它们可以通过人体的天然孔道或微小的切口进入人体内部，执行精确的操作，如组织修复和异物清除，从而减少手术带来的创伤和恢复时间。

环境领域：

　　环境监测和处理：纳米机器人可以用于检测和处理水、空气和土壤中的污染物。例如，它们可以用于监测空气中的有害物质，及时发现和解决环境污染问题。

工业领域：

　　提高生产效率和产品质量：纳米机器人可以提高工业生产的效率和产品的质量。它们可以用于自动化生产线、智能物流和无人巡检等任务，通过提高生产过程的自动化程度来降低成本和增加产量。

军事领域：

　　军事应用：纳米机器人在军事领域也有潜在的应用价值。例如，可以制造出更小、更灵活的军用机器人，如“蚂蚁士兵”，用于执行侦察和情报收集等任务。此外，纳米机器人技术还可以用于改善武器装备的性能，提升控制系统的功能属性。

信息通信领域：

　　构建纳米电路和计算机：纳米机器人也可以用于构建纳米电路和计算机，或者在不同物理样本之间进行数据传输。这有望为电子设备带来更高的信息传输和处理速度及效率。

　　总的来说，纳米机器人的应用领域非常广泛，随着技术的不断进步和应用场景的不断扩展，纳米机器人的应用前景将会更加广阔。