納米機器人技術是科幻小說嗎？直到大約十五年前，它還是科幻小說。自 2004 年首次研究出頭發(fā)絲般粗細并能移動的納米設備以來，科學界開始考慮這一研究領域的可能和具體應用，該領域在無限小（超越微型，超越 "微"）的平面上運行，橫跨機器人工程、納米技術、醫(yī)學、材料科學和納米制造工藝。

什么是納米機器人技術？

納米機器人學是一門利用納米技術特有的技術和方法，在納米尺度上制造機器人的學科。

我們正處于 "納米 "的領域，即無限小的領域。納米級機器人 "是納米機器人，也稱為 "納米機器人"，是一種尺寸在 0.1 到 10 微米之間的裝置。納米（nm）相當于一米的十億分之一，微米（μm）相當于一毫米的千分之一。

2004 年，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的美國研究員卡洛斯-蒙泰馬格諾和他的團隊開發(fā)出了第一個以葡萄糖為燃料的納米機器人，其厚度還不及人類的頭發(fā)絲。

該裝置的推進力是通過使用老鼠心肌的微小碎片實現(xiàn)的，能夠以每秒 40 微米的速度移動。

由于它的尺寸和所使用的技術，納米機器人在未來可能的應用領域中將包括所有需要原子級精度的任務，這一點是顯而易見的。

其中包括--僅舉一個最有力的例子--制造小到足以穿透活細胞（動物或人類）的機器，以釋放分子、攻擊腫瘤塊、更換或修復細胞器或執(zhí)行所有通常需要侵入性顯微外科手術的操作。

乍一看，這一切似乎都是科幻小說。然而，在過去的十年中，隨著納米制造技術的不斷完善，制造出細胞大小的微小生物兼容機器人，并能將其注入人體--在人體內(nèi)移動、運作，就像現(xiàn)實中的全尺寸機器人一樣--的目標正變得越來越近。

納米機器人（或納米機器人）的外觀和工作原理

納米機器人 "和 "納米機器人 "指的是能夠將能量轉化為運動的自走式納米級裝置。納米機器人與納米粒子（由直徑約為 1 至 100 納米的原子或分子聚合體形成）不能混淆：雖然它們可以注入人體用于診斷和治療，但與納米機器人不同，它們不是機器，因此不能自主移動、行走或游泳。

在蒙特馬格諾教授的團隊進行了首次實驗后，2005 年，同一批加利福尼亞科學家設計出了一種擁有兩條小腿的納米機器人，它的機械關節(jié)由大鼠心肌細胞驅動，無需外部電源，能夠移動和彎曲。從那時起，無數(shù)的研究接踵而至，迄今為止，已有許多納米機器人的實例。

最豐富的研究是利用磁場引導納米機器人的研究，其中特別包括一種利用趨磁細菌的研究，這類細菌會沿著地球磁場線排列。

這些細菌（其中在實驗室中應用最廣泛的是海洋磁球菌）附著在納米機器人的頭部，能夠通過外部磁場精確地引導該裝置。

接著，利用磁性材料制作了螺旋形狀的納米機器人；在構成裝置的聚合物上放置磁性材料的試樣；以及在聚合物結構本身內(nèi)部放置磁性材料的納米機器人。

蘇黎世聯(lián)邦理工學院和以色列理工學院的研究人員開發(fā)出了一種磁控彈性聚吡咯納米線，長約 15 微米（百萬分之一米），厚約 200 納米，能以每秒 15 微米的速度在流體生物環(huán)境中游動，可用于給藥和磁控攻擊癌細胞。

另一方面，費城的德雷克塞爾大學開發(fā)了一種方法，利用電場幫助納米機器人探測路徑上的障礙物，并在感興趣的區(qū)域靈活移動，其應用可能包括未來的體外給藥和干細胞操作。

納米機器人技術的另一個趨勢是由納米粒子和生物分子混合制成的納米級 "火箭 "形納米機器人，可在任何環(huán)境中高速遙控移動。

在生物材料方面，美國加州理工學院的研究人員創(chuàng)造出了由 DNA 鏈制成的納米橡膠，能夠提升和移動微顆粒；荷蘭屯特大學和德國開羅大學聯(lián)合研究，創(chuàng)造出了受精子啟發(fā)的納米機器人--始終由振蕩的弱磁場控制--用于微操作應用和靶向治療。這樣的例子不勝枚舉。

讓我們記住，所有這些都是在實驗室中研究和測試（而不是在人體上）的納米設備。具體應用于人體的道路還很漫長。不過，在科學進步的領域中，這是大有希望的。

用于醫(yī)學的納米機器人技術

正如預期的那樣，醫(yī)學是納米機器人研究的主要應用領域。通過使用納米設備和納米技術，醫(yī)學本身也變得 "納米 "了。

例如，在美國，納米醫(yī)學早在 20 世紀 90 年代初就已開始討論，特別是在精確給藥和某些診斷過程中使用納米粒子。

但隨著納米機器人技術的出現(xiàn)，這方面的研究才取得了進一步的進展。盡管面臨的挑戰(zhàn)很多。首先是如何管理納米機器人在以液體為主的微環(huán)境（如人體）中的有序和可控運動。

針對這一問題，過去曾設計出能夠行走、跳躍甚至游泳的納米機器人，這要歸功于外部操控的磁鐵、電場或光刺激。

關于這一特定主題的最新研究包括一種 5 微米長的納米機器人，它有兩個磁性鎳臂，能在磁場作用下移動，能在血液等粘性液體中游動，以便在人體需要的確切位置運輸和釋放藥物。

該裝置由美國加州大學圣迭戈分校納米工程系、中國哈爾濱工業(yè)大學和以色列海法大學的科學家們模仿人類在水中的運動方式研制而成。

除了在體內(nèi)運輸和釋放藥物外，納米機器人技術在醫(yī)學中的應用還包括神經(jīng)刺激。蒙特馬格諾教授的團隊在 2004 年構思的納米裝置就是這方面的一個早期和初步的例子，它是用動物肌肉纖維制成的。

這種經(jīng)過修改和優(yōu)化的系統(tǒng)可以幫助因橫膈膜肌肉神經(jīng)（膈神經(jīng)）受傷而導致呼吸困難的病人：插入人體后，通過彎曲壓電材料或硅線，彎曲產(chǎn)生的放電可以刺激膈神經(jīng)。

2020 年末，紐約州康奈爾大學的研究人員實現(xiàn)了另一個重要的里程碑，首批納米機器人集成了半導體元件，能夠通過標準電子信號行走。

目前正在進行測試的納米機器人與以前的納米機器人不同，以前的納米機器人能夠通過外部操縱的磁鐵移動，而這些納米設備實際上是具有功能腿的微型機器人。

設計它們的研究小組已經(jīng)在考慮如何通過使用更復雜的電子設備和機載計算來增強它們的功能。通過改進，未來可能會出現(xiàn)成群結隊的微型機器人，它們可以重組組織、縫合血管，并被大規(guī)模送往動脈和大腦區(qū)域進行探測。

一組納米機器人攻擊腫瘤塊的插圖。

治療癌癥的納米機器人

治療腫瘤疾病是納米醫(yī)學最大的治療領域。與傳統(tǒng)的侵入性和侵襲性化療不同，正是由于注入體內(nèi)的納米粒子體積小，因此可以輕松到達癌細胞，并直接在腫瘤附近釋放藥物，從而從內(nèi)部攻擊腫瘤，保護周圍的健康細胞和組織。

而納米機器人可以成為一種更精確、更有效的攻克癌癥的工具。如何做到？研究人員正在多個方面開展工作。

就用于給藥操作（即作為在癌細胞內(nèi)釋放物質的載體）的納米機器人而言，所測試的模型性質不同，在體內(nèi)移動的方式也不同。但就結構和運行機制而言，它們的設計方式是相同的：一個基本模型由一只手臂和一只 "手 "組成，"手 "上可以放置活性成分--藥物。

從這種結構出發(fā)，根據(jù)具體需要，可以創(chuàng)造出更復雜的結構，例如，在需要同時釋放多種分子或更復雜、更有針對性的作用時，可以增加更多的臂。

如果可以通過修改中央結構進行干預，那么尾部則是納米機器人的固定部分，也是最具戰(zhàn)略意義的部分，因為它能夠識別納米裝置何時到達腫瘤內(nèi)部。

尾部實質上是一種適配體，即具有與分子或蛋白質結合特性的核酸。為此，研究工作成功地設計出了特異性適配體，這種適配體只能與癌細胞所在區(qū)域或鄰近區(qū)域的實體結合，因此化療藥物只能在這一精確空間釋放，而健康組織不會受到影響。

在某些情況下，可以考慮使用能夠捕捉氧氣濃度的探針來代替適配體。這意味著什么？腫瘤由于細胞過度生長，會消耗大量氧氣。在氧氣濃度較低的地方，納米機器人會檢測到它位于腫瘤附近，從而釋放活性成分。

最近，通過組裝 DNA "薄片"，人們還成功地制造出了自主性越來越強的納米機器人。這種技術被稱為 "折紙科學"（Origami Science），因為 DNA 片的組裝讓人聯(lián)想到折紙。

2009 年，波士頓 Dana-Farber 癌癥研究所的科學家們率先將納米技術與古老的折紙藝術結合起來，通過折疊 DNA 的二維薄片來獲得多層次的三維結構，為制造能夠作為 "貨物 "在細胞內(nèi)運輸藥物的納米裝置打開了一扇窗。

如今，在這些 "貨物納米機器人 "的表面，除了適配體之外，研究人員認為還可以放置一種特殊的酶，即凝血酶，負責血液凝固。

因此，這些納米機器人被放置在血流中，并通過適配體識別它們何時進入癌塊。進入癌塊后，它們會釋放凝血酶，凝血酶會凝結成血塊，成功阻斷癌塊的血流，從而導致癌癥 "死亡"，即癌細胞壞死。

用于藥物輸送操作的納米機器人的實驗模型由手臂和“手”組成，用于定位活性成分。然而，如果需要同時釋放更多分子或更復雜和有針對性的作用，則可以在此結構中添加更多臂。