納米機器人：小個頭有大作為

「血液中的納米機器人可以充當免疫系統，摧毀病原體、清除雜物、血栓和腫瘤，甚至糾正DNA錯誤、逆轉衰老過程，這樣的醫療技術會使人均壽命每過一年就延長一歲，接近『永生』。那個『奇點』就在2045年……」

近日，谷歌公司未來學家科茲威爾關於「納米機器人」的一番論斷引發熱議。納米機器人，你可以把它想像成體積非常非常小，小到根本看不到的微型機器人。它身材雖小，卻擁有超強的能力。從最直接的癌症治療、藥物遞送、醫學成像，到新一代感測設備、信息存儲、超導介質、軍事武器，該技術帶來了無限的想像空間。有數據預測，到2020年，全球納米科技產業市場將會增長到758億美元。

我國科學家周海中在1990年發表的《論機器人》一文中，就曾做出這樣的預言—到21世紀中葉，納米機器人將徹底改變人類的工作和生活方式。

納米機器人

從科學幻想走進現實世界

1987年，在美國上映的科幻大片《驚異大奇航》中，這樣一個情節令人印象深刻——科學家把變微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。

這是人類關於納米機器人最早的猜想。「納米機器人」的概念是由諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼提出的，他認為，人類未來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原子作為建築構件，在非常細小的空間里構建物質。

「廣義上來講，只要在納米尺度能夠進行運動和操作的系統都可以叫做納米機器人。」北京理工大學機電學院智能機器人研究所研究人員王化平指出，第一代納米機器人是生物系統和機械系統的有機結合體；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。當前納米機器人的研發工作已從第一代發展到了第二代，而第三代目前還處於設想階段。

極限環境，是納米機器人「施展才華」最重要的舞台。比如在高真空、高壓狀態下的精密操作與機電組裝，在人體內部精密組織中的定點藥物投送、靶向治療，以及在強酸、強鹼、輻射、有毒環境下的高危作業等。

「納米機器人的研究每向前推進一步，都要克服重重困難。」王化平分析說，納米機器人是高度集成的系統，要求具備驅動單元、控制單元、感測單元，同時針對不同功能需要具備對應的工作單元，如靶向治療時需要的藥物儲存和投送單元等。從現階段來講，受工業水平限制，納米機器人在驅動、控制、感測反饋等方面都存在研究瓶頸。

「儘管如此，納米機器人無疑是納米生物學中最具誘惑力的內容。近年來，國際國內也取得了很多研究成果。」王化平說。

2010年，美國科學家研製出一種DNA構成的納米蜘蛛機器人，他們只有4納米長，比人類頭髮直徑的十萬分之一還要小，這些機器人可以按照DNA的軌跡實現啟動、移動、轉向和停止等功能，科學家可以通過編程來辨別癌細胞並且控制納米蜘蛛殺死癌細胞。驅動系統是納米機器人「身體」中的關鍵環節，英國劍橋大學科學家近日研製出迄今全球最小的納米發動機「螞蟻」，它採用光碟機動，未來可應用在水中導航裝置、環境感應器及在人體內工作的機器人上。

納米蜘蛛機器人

未來人類的體內醫生

想像一下，當你感冒時，不用再打針吃藥，醫生只需在你血液里植入納米機器人，機器人在體內探測出病毒源頭，併到達病毒所在處「消滅」它……

「這並非天方夜譚。讓納米機器人進入人體進行血管探測、去除癌變細胞、進行定點給葯，一直是科學家們研究的重點。」王化平指出，現在，有許多病情是外科醫生用手術刀解決不了的，比如病源可能僅僅是一個病變細胞，此時，外科醫生的手術刀根本派不上用場，用藥物治療又會對患者的整個身體產生損傷，納米機器人「醫生」便有了用武之地。

按照科學家的設想，醫生只需將載有數以萬計的納米機器人的藥液注入病人的血管，有導航作用的納米機器人會沿路線到達指定位置，然後開展手術作業，完成治療後，再沿著人體的消化道排出體外。「這種治療對人體沒有損傷，沒有傳統手術後的疤痕，副作用很小。若能實現，將是醫學史上里程碑式的巨作。」王化平評價。

夢想並非遙不可及。美國科學家研製的納米蜘蛛機器人，實驗證明可以找到並殺死癌細胞；我國中科院瀋陽自動化研究所研製的微納米操作機器人系統，可在納米尺度上切割細胞染色體；我國重慶某研究所研製的「OMOM膠囊內鏡系統」，可以鑽進人的肚子，把人體內的圖像傳到電腦屏幕上……

「OMOM膠囊內鏡系統」

但迄今為止，納米機器人技術依然停留在研發試驗階段，一些技術障礙還有破待解。「阻礙主要在於納米機器人進入人體後的運動控制，具體來講包括『導航』、『驅動』和『運動規劃』。」王化平指出，由於納米機器人體積很小，難以集成視覺系統、實時信息回傳系統和驅動系統，所以難以讓操作人員獲取實時的導航反饋信息。同樣，難以集成長期工作的驅動單元，現階段的納米機器人主要依靠自驅動原理，即通過人體內部體液參與的化學反應等來提供機器人在人體內部運動所需的能量和驅動力。最後，由於人體內部構造複雜，在血管內的納米機器人受到血液阻力等影響，同時缺乏實時反饋信息，運動規劃也不容易實現。

美「納米機器人」編程後能關閉致病蛋白質

儘管如此，許多工程師、科學家和醫生都認為，未來幾年內，納米機器人將會帶來一場醫學革命，「體內醫生」將在抗癌、去除血塊、清潔傷口、治療痛風、粉碎結石等方面釋放出巨大的潛力。

當然，納米機器人在生物醫學領域的價值並不僅僅體現為終結疾病。科學家已在探索如何將其運用在人類生理機能的提升方面。納米技術的前驅羅伯特·弗雷塔斯設計出一款納米機器人，它可以攜帶90億個氧分子與二氧化碳分子，為一般紅血球攜帶量的200倍，這一發明，使得人類在跑步時，得以全力衝刺15分鐘而並不感到疲憊。就像肌肉組織被納米機器人拆分並重組，以提供人類超強耐力一樣，在微觀層面上，近視與牙齒也可以得到矯正與改善。

谷歌未來學家科茲威爾則提出了更加大膽的設想。他說，到2030年，納米機器人將可以藉助無創的方式進入人類大腦，與我們的新皮質相連，就像雲計算一樣，這樣一來，人類將變得更聰明、更幽默。此外，納米機器人還可以充當免疫系統，糾正DNA錯誤、逆轉衰老過程，甚至使人類實現永生。

「這些想法聽起來很瘋狂，但事實上，無數科研人員正奮戰在實驗室里，納米機器人成為『體內醫生』指日可待。」王化平說。

納米機器人的廣闊舞台

進入21世紀，科技發展如火如荼，軍事變革風起雲湧。各國的軍事專家普遍認為，納米機器人將決定21世紀戰爭的面貌和進程。

「納米機器人有著非常重要的軍事價值。人們可以通過仿生學技術將納米機器人的外形改造成昆蟲、鳥類等小型生物的外觀，充當偵察工具，進而收集重要情報。」王化平說，隨著科技發展，納米機器人可以做得非常小，達到「納米塵埃」的狀態，這樣可以通過無人機將這些數以百萬計的納米機器人投放到敵人的陣營中，從而獲得珍貴的情報資源，為戰爭勝利奠定基礎。比如美國的「蜂鳥」機器人，做得非常逼真，通過其自帶的感測器，可以完成偵察兵的任務。

「蜂鳥」機器人

此外，還可以研發出能堵住人臉、鼻、口、眼的納米微型組件，或能粘住手、腳的納米微型組件等。另外，對現有的化學和生物體進行改造或研發出新型的化學或生物體，把這些化學或生物體傳播到敵國之中，將產生巨大的殺傷力。

「納米機器人應用到軍事中的優勢主要在於它的尺度效應。比如，將合成彈藥的材料封裝到碳納米管等納米級別的器件中，並由納米機器人運載投送，不易被發現且威力巨大。」王化平說。

除了軍事領域，納米機器人在人類發展的很多領域將大有作為——

將大量納米機器人放入污染水源中，通過設計好的感測器和程序讓納米機器人將污染源分解掉，就能解決河流污染問題。當發生石油泄漏，若要徹底根除污染，需要耗費大量的人力、物力、財力，但對納米機器人而言，它們可以以百萬為單位同時進行過濾清潔作業，並且能夠以最快速度清除每一個污染物分子。在霧霾的城市或存在化學污染的工廠，將納米機器人投入到大氣中，污染物便很容易被其分解……「納米機器人應用前景很廣，但因為納米機器人是一個高度集成的系統，需要工業生產各個領域的水平同時進步以後才能有突破性的進展，所以目前該領域可以說仍處於朝氣蓬勃、不斷成長的『青年』階段。」王化平認為。

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