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  • 纳米机器人:小个头有大作为

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    • 时间:2016-07-14
    • 编译:zhangrunping
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       “血液中的纳米机器人可以充当免疫系统,摧毁病原体、清除杂物、血栓和肿瘤,甚至纠正DNA错误、逆转衰老过程,这样的医疗技术会使人均寿命每过一年就延长一岁,接近‘永生’。那个‘奇点’就在2045年……”
     
      近日,谷歌公司未来学家科兹威尔关于“纳米机器人”的一番论断引发热议。纳米机器人,你可以把它想象成体积非常非常小,小到根本看不到的微型机器人。它身材虽小,却拥有超强的能力。从最直接的癌症治疗、药物递送、医学成像,到新一代传感设备、信息存储、超导介质、军事武器,该技术带来了无限的想象空间。有数据预测,到2020年,全球纳米科技产业市场将会增长到758亿美元。
     
      我国科学家周海中在1990年发表的《论机器人》一文中,就曾做出这样的预言—到21世纪中叶,纳米机器人将彻底改变人类的工作和生活方式。
     
      从科学幻想
     
      走进现实世界
     
      1987年,在美国上映的科幻大片《惊异大奇航》中,这样一个情节令人印象深刻——科学家把变微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。
     
      这是人类关于纳米机器人最早的猜想。“纳米机器人”的概念是由诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出的,他认为,人类未来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原子作为建筑构件,在非常细小的空间里构建物质。
     
      “广义上来讲,只要在纳米尺度能够进行运动和操作的系统都可以叫做纳米机器人。”北京理工大学机电学院智能机器人研究所研究人员王化平指出,第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体;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。当前纳米机器人的研发工作已从第一代发展到了第二代,而第三代目前还处于设想阶段。
     
      极限环境,是纳米机器人“施展才华”最重要的舞台。比如在高真空、高压状态下的精密操作与机电组装,在人体内部精密组织中的定点药物投送、靶向治疗,以及在强酸、强碱、辐射、有毒环境下的高危作业等。
     
      “纳米机器人的研究每向前推进一步,都要克服重重困难。”王化平分析说,纳米机器人是高度集成的系统,要求具备驱动单元、控制单元、传感单元,同时针对不同功能需要具备对应的工作单元,如靶向治疗时需要的药物储存和投送单元等。从现阶段来讲,受工业水平限制,纳米机器人在驱动、控制、传感反馈等方面都存在研究瓶颈。
     
      “尽管如此,纳米机器人无疑是纳米生物学中最具诱惑力的内容。近年来,国际国内也取得了很多研究成果。”王化平说。
     
      2010年,美国科学家研制出一种DNA构成的纳米蜘蛛机器人,他们只有4纳米长,比人类头发直径的十万分之一还要小,这些机器人可以按照DNA的轨迹实现启动、移动、转向和停止等功能,科学家可以通过编程来辨别癌细胞并且控制纳米蜘蛛杀死癌细胞。驱动系统是纳米机器人“身体”中的关键环节,英国剑桥大学科学家近日研制出迄今全球最小的纳米发动机“蚂蚁”,它采用光驱动,未来可应用在水中导航装置、环境感应器及在人体内工作的机器人上。
     
      未来人类的体内医生
     
      想像一下,当你感冒时,不用再打针吃药,医生只需在你血液里植入纳米机器人,机器人在体内探测出病毒源头,并到达病毒所在处“消灭”它……
     
      “这并非天方夜谭。让纳米机器人进入人体进行血管探测、去除癌变细胞、进行定点给药,一直是科学家们研究的重点。”王化平指出,现在,有许多病情是外科医生用手术刀解决不了的,比如病源可能仅仅是一个病变细胞,此时,外科医生的手术刀根本派不上用场,用药物治疗又会对患者的整个身体产生损伤,纳米机器人“医生”便有了用武之地。
     
      按照科学家的设想,医生只需将载有数以万计的纳米机器人的药液注入病人的血管,有导航作用的纳米机器人会沿路线到达指定位置,然后开展手术作业,完成治疗后,再沿着人体的消化道排出体外。“这种治疗对人体没有损伤,没有传统手术后的疤痕,副作用很小。若能实现,将是医学史上里程碑式的巨作。”王化平评价。
     
      梦想并非遥不可及。美国科学家研制的纳米蜘蛛机器人,实验证明可以找到并杀死癌细胞;我国中科院沈阳自动化研究所研制的微纳米操作机器人系统,可在纳米尺度上切割细胞染色体;我国重庆某研究所研制的“OMOM胶囊内镜系统”,可以钻进人的肚子,把人体内的图像传到电脑屏幕上……
     
      但迄今为止,纳米机器人技术依然停留在研发试验阶段,一些技术障碍还有破待解。“阻碍主要在于纳米机器人进入人体后的运动控制,具体来讲包括‘导航’、‘驱动’和‘运动规划’。”王化平指出,由于纳米机器人体积很小,难以集成视觉系统、实时信息回传系统和驱动系统,所以难以让操作人员获取实时的导航反馈信息。同样,难以集成长期工作的驱动单元,现阶段的纳米机器人主要依靠自驱动原理,即通过人体内部体液参与的化学反应等来提供机器人在人体内部运动所需的能量和驱动力。最后,由于人体内部构造复杂,在血管内的纳米机器人受到血液阻力等影响,同时缺乏实时反馈信息,运动规划也不容易实现。
     
      尽管如此,许多工程师、科学家和医生都认为,未来几年内,纳米机器人将会带来一场医学革命,“体内医生”将在抗癌、去除血块、清洁伤口、治疗痛风、粉碎结石等方面释放出巨大的潜力。
     
      当然,纳米机器人在生物医学领域的价值并不仅仅体现为终结疾病。科学家已在探索如何将其运用在人类生理机能的提升方面。纳米技术的前驱罗伯特·弗雷塔斯设计出一款纳米机器人,它可以携带90亿个氧分子与二氧化碳分子,为一般红血球携带量的200倍,这一发明,使得人类在跑步时,得以全力冲刺15分钟而并不感到疲惫。就像肌肉组织被纳米机器人拆分并重组,以提供人类超强耐力一样,在微观层面上,近视与牙齿也可以得到矫正与改善。
     
      谷歌未来学家科兹威尔则提出了更加大胆的设想。他说,到2030年,纳米机器人将可以借助无创的方式进入人类大脑,与我们的新皮质相连,就像云计算一样,这样一来,人类将变得更聪明、更幽默。此外,纳米机器人还可以充当免疫系统,纠正DNA错误、逆转衰老过程,甚至使人类实现永生。
     
      “这些想法听起来很疯狂,但事实上,无数科研人员正奋战在实验室里,纳米机器人成为‘体内医生’指日可待。”王化平说。
     
      纳米机器人的广阔舞台
     
      进入21世纪,科技发展如火如荼,军事变革风起云涌。各国的军事专家普遍认为,纳米机器人将决定21世纪战争的面貌和进程。
     
      “纳米机器人有着非常重要的军事价值。人们可以通过仿生学技术将纳米机器人的外形改造成昆虫、鸟类等小型生物的外观,充当侦察工具,进而收集重要情报。”王化平说,随着科技发展,纳米机器人可以做得非常小,达到“纳米尘埃”的状态,这样可以通过无人机将这些数以百万计的纳米机器人投放到敌人的阵营中,从而获得珍贵的情报资源,为战争胜利奠定基础。比如美国的“蜂鸟”机器人,做得非常逼真,通过其自带的传感器,可以完成侦察兵的任务。
     
      此外,还可以研发出能堵住人脸、鼻、口、眼的纳米微型组件,或能粘住手、脚的纳米微型组件等。另外,对现有的化学和生物体进行改造或研发出新型的化学或生物体,把这些化学或生物体传播到敌国之中,将产生巨大的杀伤力。
     
      “纳米机器人应用到军事中的优势主要在于它的尺度效应。比如,将合成弹药的材料封装到碳纳米管等纳米级别的器件中,并由纳米机器人运载投送,不易被发现且威力巨大。”王化平说。
     
      除了军事领域,纳米机器人在人类发展的很多领域将大有作为——
     
      将大量纳米机器人放入污染水源中,通过设计好的传感器和程序让纳米机器人将污染源分解掉,就能解决河流污染问题。当发生石油泄漏,若要彻底根除污染,需要耗费大量的人力、物力、财力,但对纳米机器人而言,它们可以以百万为单位同时进行过滤清洁作业,并且能够以最快速度清除每一个污染物分子。在雾霾的城市或存在化学污染的工厂,将纳米机器人投入到大气中,污染物便很容易被其分解…… “纳米机器人应用前景很广,但因为纳米机器人是一个高度集成的系统,需要工业生产各个领域的水平同时进步以后才能有突破性的进展,所以目前该领域可以说仍处于朝气蓬勃、不断成长的‘青年’阶段。”王化平认为。
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