納米機器人(小型機器人)

“納米機器人”是機器人工程學的一種新興科技，納米機器人的研製屬於“分子納米技術(Molecular nanotechnology，簡稱MNT)”的範疇，它根據分子水平的生物學原理為設計原型，設計製造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。

納米機器人的構想，是在納米尺度上套用生物學原理，發現新現象，研製可程式的分子機器人，也稱納米機器人。合成生物學對細胞信號傳導與基因調控網路重新設計，開發“在體”或“濕”的生物計算機或細胞機器人，從而產生了另種方式的納米機器人技術。

基本介紹

• 中文名：納米機器人
• 外文名：Nanorobot
• 範疇：納米技術
• 定義：微型機械

產生背景

1959年率先提出納米技術的構想是諾貝爾獎得主理論物理學家理察-費曼。他率先提出利用微型機器人治病的想法。用他的話說，就是“吞下外科醫生”。理察·費恩曼在一次題目為《在物質底層有大量的空間》的演講中提出：將來人類有可能建造一種分子大小的微型機器，可以把分子甚至單個的原子作為建築構件在非常細小的空間構建物質，這意味著人類可以在最底層空間製造任何東西。從分子和原子著手改變和組織分子是化學家和生物學家意欲到達的目標。這將使生產程式變得非常簡單，只需將獲取到的大量的分子進行重新組合就可形成有用的物體。

在1959年的演講《在底部有很多空間》中，他提出納米技術這一想法。雖然沒有使用“納米”這個詞，但他實際上闡述了納米技術的基本概念。

1990年 我國著名學者周海中教授在《論機器人》一文中預言：到二十一世紀中葉，納米機器人將徹底改變人類的勞動和生活方式。

2010年7月1日，美國密西西比州的灣港，墨西哥灣“深水地平線”號的漏油被衝上海岸。在應對漏油事故等環境災難方面，納米機器人的效率遠超過傳統方式。

學術構想

納米生物學的構想，是在納米尺度上套用生物學原理，發現新現象，研製可程式的分子機器人，也稱納米機器人。涉及的內容可歸納為以下4個方面：

1. 在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的聯繫。
   
2. 在納米尺度上獲得生命信息，例如，利用掃描隧道顯微鏡獲取細胞膜和細胞表面的結構信息等。
   
3. 納米機器人的研製。納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內容，第一代納米機器人是生物系統和機械系統的有機結合體，這種納米機器人可注入人體血管內，進行健康檢查和疾病治療。還可以用來進行人體器官的修復工作、作整容手術、從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機體正常運行。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。
   
4. 納米尺度調整殺死變異的癌變細胞，通過外部雷射器指引，精確計算找到出輻射超標的癌變細胞，利用先進的生物細胞溶解技術將可能病變的細胞溶解成化學分子元素，並通過特定感測器系統精確的核查後，將細胞組分成功進入健康細胞中，完成壞死細胞與成功健康細胞的轉換。
   

技術原理

納米生物學的產生是與SPM的發明和在生命科學中的套用分不開的。生命過程是已知的物理、化學過程中最複雜的事情。不同於巨觀生物學，納米生物學是從微觀的角度來觀察生命現象、並以對分子的操縱和改性為目標的。納米生物學發展時間不長就已經取得了可喜的成績。生物科學家在納米生物學領域提出了許多富有挑戰性的新觀念。 納米生物學的加工技術可以向生物細胞學習。

事實上，每一個細胞都是一個活生生的納米技術套用的實例：細胞不僅將燃料轉化為能量，而且按照儲存在DNA中的信息來建造和激活蛋白質和酶，通過對不同物種的DNA進行重組，基因工程家已經學會建造新的這類納米工具，例如用細菌細胞來生產醫用激素。科學家根據分子病理學的原理已經研製出各種各樣的可以進入人體微觀世界行走的納米機器人，有望用於清除有害物質、修復損壞基因、激活細胞能量、維護人體健康和延長人類壽命。醫用納米機器人目前還處在試驗階段。

套用領域

納米技術的大膽套用構想還包括：利用納米機器將獲取的碳原子逐個組織起來，變成精美的金剛石；將二氧化物分子重新分解為原來的組成部分；在人血中放入納米巡航工具，它能自動尋找沉積於靜脈血管壁上的膽固醇，然後將它們一一分解；將來納米機器能夠把草地上剪下來的草變成麵包……在完全意義上講，世上每一個現實存在的物體無論是電腦還是乳酪都是由分子組成的；

在理論上，納米機器可以構建所有的物體。

當然從理論到真正實現套用是不能等同的，但納米機械專家已經表明，實現納米技術的套用是可行的。在掃描隧道顯微鏡幫助下，納米機械專家已經能將獨立的原子安排成自然界從未有的結構。此外，納米機械專家還設計出了只由幾個分子組成的微小齒輪和馬達。（切勿將這些齒輪和馬達與那些由數以百萬計分子組成的用傳統技術構建的微小齒輪和馬達相混淆，這些機器同未來製造的機器相比較實在是太巨大了）。

納米機器人結構示意圖

25年內，納米技術學家期望實現這些存在於科學陳列室中的想法，創造出真實的、可以工作的納米機器。這些納米機器有微小的“手指”可以精巧地處理各種分子；有微小的“電腦”來指揮“手指”如何操作。“手指”可能由碳納米管制造，它的強度是鋼的100倍，細度是頭髮絲的五萬分之一。“電腦”可能由碳納米管制造，這些碳納米管既能做電晶體又能做連線它們的導線。“電腦”也可能由DNA製造，用適當的軟體和足夠的靈巧性進行武裝的納米機器人可以構建任何物質。

納米機器人執行任何任務，包括自身複製，都必須動用大量的納米機器。血液里可能存在數以百萬計的納米機器人；在每一個有毒廢物地點可能需要數以萬億計的納米機器人，要製造一輛汽車可能要調動數以100億億計的納米機器人同時工作。然而，沒有一個生產線能生產如此巨大數量的納米機器人。

但是，納米科學家眼中的納米機器可以做到這點。他們設計的納米機器人可以完成兩件事：執行它們的主要任務和製造出它們自身完美的複製體。如果第一個納米機器人能夠製造出兩個複製體，這兩個複製體每個又可製造出兩個自己的複製體，很快就可以獲得數萬億個納米機器人。

但是，假如納米機器人忘記停止複製，會發生什麼？如果沒有一些內建的停止信號，納米機器人忘記停止複製，這種災難的可能後果將會是無法計算的。納米機器人在人體內快速複製，能夠比癌症擴散還要快地布滿正常組織；一個發瘋的製造食物機器人能夠把地球的整個生物圈變成一塊巨大的乳酪。

納米技術學家沒有迴避危險，但是他們相信他們能控制災難的發生。其中一個辦法是設計出一種軟體程式使納米機器人在複製數代後自我摧毀。另一種辦法是設計出一種只在特定條件下複製的機器人，例如只有在有毒化學物質以較高濃度出現時機器人才能複製，或者在一個很窄的溫度和濕度範圍內機器人才能複製。

就像電腦病毒的傳播一樣，所有以上這些努力都無法阻止那些不懷好意的人有意釋放某種納米機器人作為害人武器。事實上，一些批評家指出納米技術可能的危險要大於它的益處。然而，僅僅這些利益就已經太具誘惑力了，納米技術必將超過電子計算機和基因製藥而成為新世紀的技術發展方向。世界可能會需要一個納米技術免疫系統，這個系統中納米機器人警察不斷地在微觀世界中同那些不懷好意的機器人進行戰鬥。

中國套用

中國人也可以像擺棋子一樣擺弄原子了。記者從中科院獲悉，一台能夠在納米尺度上操作的機器人系統樣機由中國科學院瀋陽自動化所研製成功，並通過了國家“863”自動化領域智慧型機器人專家組的驗收。 在一個演示中，瀋陽自動化所的研究人員操縱“納米微操作機器人”，在一塊矽基片上1×2微米的區域上清晰刻出“SIA”3個英文字母（瀋陽自動化所的縮寫）；另一個演示顯示，在一個5×5微米的矽基片上，操作者將一個4微米長、100納米粗細的碳納米管準確移動到一個刻好的溝槽里。

納米微操作機器人在10×10微米的基片上刻出的字樣

測試顯示，在刻畫操作中，這台納米微操作機器人在512個像素寬度的顯示區域裡，重複定位誤差小於5個像素，精度達1%以上；在移動納米碳管的操作中，重複定位精度達到30納米；而在基於路標的定位測試中，其定位誤差小於4納米。 專家解釋，1納米是10^-9米，大約等於10個氬原子並列成一條直線的長度。在納米尺度上的操作，被稱為“納米微操作”，是納米技術的重要內容，其目的是在納米尺度上按人的意願對納米材料實現移動、整形、刻畫以及裝配等工作。納米微操作始於20世紀80年代，IBM的科學家1989年利用掃描式隧道顯微鏡（STM）操作35個氙原子在鎳金屬表面拼出I－B－M三個字母，成為轟動世界的新聞，開了納米微操作先河。從此，納米操作技術作為一個重要的戰略發展方向吸引各國競相展開研究。 該項目研究人員介紹，這台機器人系統在納米尺度下的系統建模方法、三維納觀力獲取與感知及誤差分析與補償方面有很多突破與創新，都達到世界先進水平。 據介紹，這種納米微操作機器人可廣泛套用於納米科學實驗研究、生物工程與醫學實驗研究、微納米科研教學等領域。如生物學研究領域中，使用納米微操作機器人可完成對細胞染色體的切割操作；也可在DNA或分子水平上進行生化檢測及病理、生理測試實驗研究。此外這種機器人在IC工業中納米器件的裝配與加工方面也有良好的套用前景，如可以利用它操作納米微粒，裝配微/納米電子器件，甚至複雜的納米電路。這意味著，未來利用納米電路製成的電腦和家用電器，可以“想要它有多小，就能做多小”，甚至可以“塞進牙縫”；而未來利用納米操作技術製作的微型機器人，也可以鑽入人體替病人疏通血管，或在肉眼看不見的微觀世界裡，完成人們自己不可能完成的任務。

國外套用

在美國科幻大片《驚異大奇航》中，科學家把變小的人和飛船注射進人體，讓這些縮小的“參觀者”直接觀看到人體各個器官的組織和運行情況。然而在現實中，科學家根據分子病理學的原理已經研製出各種各樣的可以進入人體的納米機器人，有望用於維護人體健康。

目前還處在試驗階段，大到長几毫米，小到直徑幾微米；但可以肯定的是，未來幾年內，納米機器人將會帶來一場醫學革命。

許多工程師、科學家和醫生都認為，醫用納米機器人有著無限的潛力——而其中最有可能的包括：治療動脈粥樣硬化、抗癌、去除血塊、清潔傷口、幫助凝血、祛除寄生蟲、治療痛風、粉碎腎結石、人工授精以及激活細胞能量，使人不僅保持健康，而且延長壽命。

研究進展

納米機器人，外形仿照大腸桿菌。科學家將在2015年進行臨床試驗。納米技術研究領域的科學家積極探索這項技術在其他方面的套用，例如水處理或者環境治理。將來可能會操控數百萬個納米機器人，讓它們穿過被污染的水域，尋找和處理污染物而後將它們收集在一起。

在治療心臟病時，納米機器人將穿過一根直徑2到3毫米的導管，進入需要治療的特定部位。這種導管技術也可用於大腦以及其他部位，例如腸道和尿道。進入這些部位的最大難度就是一定要達到極高的精確度。出於這個原因，納米技術長久以來一直被譽為未來對抗癌症的最理想武器。

納米機器人在絕對無塵室製造，防止它們感染細菌。這種製造方式在很大程度上與電腦晶片類似。尼爾森指出這一次的成功測試給了他們很大鼓勵，促使他們探索納米機器人的其他套用，例如治療心臟病。

科學家在極為脆弱的環境下對納米機器人進行活體測試，這個極為脆弱的環境便是眼睛。測試中，它們穿過玻璃體——充滿視網膜與晶體之間眼球的無色透明膠狀物質——將藥物送入視網膜，治療與衰老有關的疾病，例如黃斑變性。黃斑變性可導致失明。

爾森的納米機器人可能並不攜帶一把微型手術刀，但它們擁有一些非常獨特的東西。它們的外形仿照大腸桿菌，利用被稱之為“鞭毛”的旋轉尾巴驅動身體前行。

個裝有大腸桿菌的培養皿。細菌擁有一個迴轉馬達。現在，我們還無法製造這種馬達，我們沒有這方面的技術，但我們能夠藉助磁場實現相同的目的。我們採用了鞭毛的設計，對其進行磁化，允許機器人遊動。