納米機(jī)器人工程

納米機(jī)器人工程是一個(gè)新興的跨學(xué)科領(lǐng)域，它匯集了不同的學(xué)科，包括納米級(jí)建模和納米制造工藝。

特別是近年來(lái)，經(jīng)典機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步將感知和操縱物質(zhì)的能力擴(kuò)展到了從宏觀到微觀，直至單個(gè)原子的各種尺度。在這一特定領(lǐng)域，技術(shù)正朝著更大程度地逐個(gè)原子控制物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。

微型化--無(wú)論在何種情況下應(yīng)用--都需要先進(jìn)的技術(shù)，以保證物質(zhì)在空間中的最佳嵌入。

例如，在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用納米機(jī)器人技術(shù)的具體案例中，僅將納米機(jī)器人置于人體內(nèi)部是不夠的。最重要的是，必須能夠利用特定的生理和解剖條件，使它們移動(dòng)、引導(dǎo)它們。要做到這一點(diǎn)，還需要利用生理學(xué)、物理學(xué)和納米技術(shù)等學(xué)科。

在我國(guó)，還沒(méi)有真正意義上的納米機(jī)器人工程學(xué)課程。不過(guò)，仿生工程碩士學(xué)位課程是這一學(xué)科的一個(gè)參照點(diǎn)，其師資隊(duì)伍位于圣安娜超級(jí)學(xué)院和比薩大學(xué)的盧卡阿爾蒂研究學(xué)院（Scuola IMT Alti Studi Lucca）。

這是一個(gè)為期兩年的教學(xué)計(jì)劃，在比薩大學(xué)工程學(xué)院和圣安娜學(xué)院生物機(jī)器人研究所的實(shí)驗(yàn)室中開設(shè)理論和實(shí)踐課程。

除了學(xué)習(xí)生物機(jī)器人和神經(jīng)工程科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)外，學(xué)生還將通過(guò)與醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家以及康復(fù)和外科領(lǐng)域的專家對(duì)話，接受多學(xué)科研究方面的培訓(xùn)。

學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生將在各種教育體驗(yàn)中接受挑戰(zhàn)，包括與納米機(jī)器人的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試有關(guān)的體驗(yàn)。

該課程還提供兩種不同的課程：神經(jīng)工程課程側(cè)重于神經(jīng)儀器、神經(jīng)接口、神經(jīng)信號(hào)采集和處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生物啟發(fā)傳感系統(tǒng)以及模仿社會(huì)行為的機(jī)器人設(shè)計(jì)；而生物機(jī)器人課程側(cè)重于開發(fā)仿人和仿動(dòng)物機(jī)器人模型、納米機(jī)器人、可穿戴機(jī)器人、可植入仿生器官、人工上下肢、用于診斷、手術(shù)和康復(fù)的機(jī)器人和平臺(tái)。

將納米機(jī)器人放入人體內(nèi)是不夠的。最重要的是，有必要能夠利用特定的生理和解剖條件來(lái)引導(dǎo)他們的運(yùn)動(dòng)。

納米機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)（和懸而未決的問(wèn)題）

盡管納米機(jī)器人技術(shù)充滿活力，但它還是一個(gè)年輕的研究領(lǐng)域，目前仍處于研究和實(shí)驗(yàn)階段。它尚未走出實(shí)驗(yàn)室。盡管它已經(jīng)確定了自己的主要興趣領(lǐng)域，但正如我們已經(jīng)充分說(shuō)明的那樣，目前其中最突出的是醫(yī)學(xué)。

未來(lái)，納米機(jī)器人將應(yīng)用于臨床實(shí)踐。有鑒于此，科學(xué)家們已經(jīng)確定了下一個(gè)研究目標(biāo)，即制造出更小更靈活的納米機(jī)器人--結(jié)構(gòu)尺寸為 20×100 納米（0.00002×0.0001 毫米）--以便在無(wú)需活檢的情況下對(duì)器官內(nèi)外進(jìn)行更精確的探索和細(xì)胞檢查。其目的是使納米機(jī)器人成為通過(guò)早期診斷預(yù)防某些疾病的工具。

除了這些目標(biāo)之外，科學(xué)界還將兩個(gè)重要問(wèn)題提上了議事日程。第一個(gè)問(wèn)題涉及納米機(jī)器人在血液中的生物降解能力（目前的模型無(wú)法自主降解，因此在向體內(nèi)釋放藥物后，必須將其移除）：另一個(gè)未決問(wèn)題涉及用于制造納米機(jī)器人的材料的安全程度，更具體地說(shuō)，涉及其可能的毒性。

另一方面，第二個(gè)問(wèn)題與納米裝置在人體的許多微小間隙、組織和各種液體中的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。迄今為止設(shè)計(jì)的納米機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

歐洲的 CELLOIDS 項(xiàng)目于 2021 年 2 月 1 日啟動(dòng)，截止日期為 2026 年 1 月底。該項(xiàng)目對(duì)這一懸而未決的問(wèn)題進(jìn)行了干預(yù)，提出了制造可在人體各部位自主移動(dòng)的納米機(jī)器人的建議。

我們了解到，在這個(gè)項(xiàng)目中，研究人員將借鑒免疫系統(tǒng)細(xì)胞的行為，其中一些細(xì)胞能夠不斷改變自己的身體形狀以適應(yīng)環(huán)境，從而能夠穿透生物組織的所有間隙。

關(guān)于迄今為止進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，去年 3 月，即兩個(gè)月前，《科學(xué)機(jī)器人》雜志報(bào)道了首次觀察到納米機(jī)器人群在活鼠體內(nèi)移動(dòng)的消息。

這是加泰羅尼亞生物工程研究所與巴塞羅那自治大學(xué)合作進(jìn)行的一項(xiàng)研究，被認(rèn)為是朝著將納米機(jī)器人應(yīng)用于人體臨床實(shí)踐邁出的決定性一步。

所觀察到的納米機(jī)器人可以在小鼠膀胱內(nèi)自主移動(dòng)，以非侵入性和無(wú)痛的方式利用小鼠尿液中的尿素作為燃料進(jìn)行探索。

利用顯微鏡和 PET（正電子發(fā)射斷層掃描）技術(shù)進(jìn)行的觀察顯示，納米機(jī)器人分布均勻，集體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)高效。研究小組強(qiáng)調(diào)說(shuō)，這是一個(gè)好消息，預(yù)示著這些納米設(shè)備在人類診斷和治療方面的有效性。

在未來(lái)的醫(yī)學(xué)中，納米機(jī)器人在血管內(nèi)發(fā)揮作用，檢測(cè)并消除阻礙正常循環(huán)的血栓。

利用 DNA 模塊制造納米機(jī)器人

此外，在醫(yī)療領(lǐng)域（首選應(yīng)用領(lǐng)域），2018 年啟動(dòng)、2022 年圓滿結(jié)束、目前處于實(shí)驗(yàn)階段的歐洲研究項(xiàng)目 DNA-Robotics 也在朝著能夠在人體所有類型的間隙、組織和液體中移動(dòng)的更加靈活的納米機(jī)器人的方向發(fā)展。

該項(xiàng)目的核心是 DNA 生物大分子的自組裝特性，以便產(chǎn)生納米級(jí)機(jī)器人系統(tǒng)，從而在治療腫瘤疾病的一系列應(yīng)用中獲益，如上所述，腫瘤是納米醫(yī)學(xué)的最大治療領(lǐng)域。

使用 DNA 片段的納米機(jī)器人技術(shù)是目前流行的一種研究方法，因?yàn)樗仓塾诩{米設(shè)備在體內(nèi)的生物可降解性目標(biāo)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人的許多基本功能，包括目標(biāo)檢測(cè)和靈活移動(dòng)。

德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）是該歐洲項(xiàng)目的合作伙伴，其研究人員在最初階段使用類似小方塊的DNA模塊來(lái)開發(fā)納米機(jī)器人的各個(gè)部分，每個(gè)部分都具有不同的特性和功能。

在下一階段，研究小組將小方塊轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)模型，以評(píng)估納米機(jī)器人各個(gè)部分組裝成一個(gè)完整的納米機(jī)器人系統(tǒng)的效果。

最終，研究轉(zhuǎn)向一種不再基于小立方體DNA模塊的計(jì)算機(jī)模型，而是一種涉及使用所謂 "囊泡 "的技術(shù)。"囊泡 "是細(xì)胞膜內(nèi)的一種袋狀有機(jī)結(jié)構(gòu)，可用作 "支架"，圍繞它可以構(gòu)建一系列納米機(jī)器人模塊，包括一種能夠?qū)⑿畔募{米結(jié)構(gòu)的一點(diǎn)傳輸?shù)搅硪稽c(diǎn)的管狀結(jié)構(gòu)。