納米機器人
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中文名:納米機器人 外文名:Nanorobot 類 別:體積納米級、納米級操作 范 疇:納米級別 類 屬:微觀機械 |
納米機器人是根據分子水平的生物學原理為設計原型， 在納米尺度上應用生物學原理， 研製可編程的分子機器人。 從技術層面講，納米機器人分為兩類：一類是體積為納米級的納米機器人，一類是用於納米級操作的裝置。限於技術水平，並沒有真正意義上的納米級體積、可控的納米機器人，而用於納米級操作的裝置，只要求裝置的末端操作尺寸微小精確即可，並不要求裝置本身的尺寸是納米級的，與常規機器人類似，因此發展較快，比如STM 和AFM。 [1]
目錄
納米機器人發展綜
早在1959年率先提出納米技術的設想是諾貝爾獎得主、理論物理學家理查德-費曼，他提出利用微型機器人進行治病的想法。理查德-費曼在一次題目為《在物質底層有大量的空間》的演講中提出：人類將來有可能建造一種分子大小的微型機器，以分子甚至單個的原子作為部件在非常細小的空間構建物質，這意味着人類可以在最底層空間製造任何東西。
隨着技術的發展，理查德-費曼的想法正在逐漸被實現。1981年，格爾德-賓寧（G．Binnig）及海因里希-羅雷爾（H．Rohrer）在IBM位於蘇黎世的實驗室發明了掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope,STM），隨後，G.Binning等人又在STM的基礎上發明了原子力顯微鏡（Atomicforcemicroscope,AFM）[。從此，人類能夠觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物化性質，還可以在低溫下（4K）利用探針精確操縱原子，它們既是納米科技的重要測量工具又是加工工具。自此，人類開始進入納米時代，納米機器人的概念也就應運而生。
所謂納米機器人，是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" 。從技術層面講，納米機器人分為兩類：一類是體積為納米級的納米機器人，一類是用於納米級操作的裝置 。限於技術水平，並沒有真正意義上的納米級體積、可控的納米機器人，而用於納米級操作的裝置，只要求裝置的末端操作尺寸微小精確即可，並不要求裝置本身的尺寸是納米級的，與常規機器人類似，因此發展較快，比如STM和AFM。
納米機器人國外研究現狀
2010年5月，美國哥倫比亞大學的科學家成功研製出一種由脫氧核糖核酸（DNA）分子構成的納米蜘蛛機器人。這種機器人能夠跟隨DNA的運行軌跡自由地行走、移動、轉向以及停止，並且他們能夠自由地在二維物體的表面行走。這種納米蜘蛛機器人只有4納米長，比人類頭髮直徑的十萬分之一還小。
科學家通過編程，能夠讓納米蜘蛛機器人沿着特定的軌道運動。這一研究成果表明：一旦被編程，納米蜘蛛機器人就能自動完成任務，而不需要人為介入。因此，納米蜘蛛機器人被認為是用於醫療事業、幫助人類識別並殺死癌細胞以達到治療癌症的目的、幫助人們完成外科手術、清理動脈血管垃圾等領域的最理想工具。當然，科學家還在不斷地對納米蜘蛛機器人進行改進，他們的目標是：在未來創造大量這種納米機器人，讓他們自動且不間斷地在身體內巡邏，尋找各種疾病信號，為醫生做出更精確的診斷提供依據。
不久前的"WSJD在線"全球技術大會上，谷歌實驗室生命科學小組負責人安德魯-康拉德透露，谷歌正在設計一種納米磁性粒子，這種粒子可以進入人體循環系統，進行癌症和其他疾病的早期診斷。納米磁性粒子，其實就是納米機器人。當你感冒發燒，醫生在你的血液里植入納米機器人，這種機器人在體內探測感冒病毒的源頭，並達到病毒所在處，直接釋放藥物殺滅病毒。不光是感冒發燒，在同樣機理下，精確找到並殺死癌細胞、疏通血栓、清除動脈內的脂肪沉積、清潔傷口、粉碎結石等，都會是納米機器人的拿手好戲。更為不可思議的應用，是將納米機器人當作媒介，連接人腦神經系統和外界網絡系統，為開發人腦智力和潛力帶來無法想象的革命，徹底改變生活和工作方式，甚至是人類本身。
雖然想象無比美好，美國、日本等一些研究機構也都成功研發出了應用於各種疾病檢測治療的納米機器人，但迄今為止，納米機器人技術依然停留在研發試驗階段，還沒有哪個項目的成果真正進入臨床。 美國佛羅里達大學化學副教授查爾斯和醫學院胃腸道及肝臟研究主席、病理學教授劉晨領導開發出一種瞄準肝臟中C型肝炎病毒的納米機器人，稱為"納米酶"，它是由黃金納米粒子作主支架，表面主要是兩種生物成分：一種能破壞有"基因傳令官"之稱的mRNA（信使核糖核酸）的酶，而mRNA可製造導致疾病的蛋白質；另一種是DNA（脫氧核糖核酸）低核苷酸大分子，能識別目標遺傳物質，並通知它的酶夥伴來執行任務。"納米酶"還可通過剪裁來匹配攻擊目標的遺傳物質，並利用身體固有的防禦機制潛入細胞內而不被覺察。實驗中，這種新式納米粒子幾乎能根除C型肝炎病毒感染，可編程性還讓它們有可能抵抗多種疾病，如癌症及其他病毒感染。研究人員指出，這種納米機器人還需要進一步實驗以確定其安全性，將來可能採用口服藥丸的形式。
納米機器人國內研究現狀
中國科學院瀋陽自動化所研製成功一台能夠在納米尺度上操作的機器人系統樣機，並通過了國家"863"自動化領域智能機器人專家組的驗收。這台"納米微操作機器人"能在一塊硅基片上2平方微米(一微米為百萬分之一米)的範圍內清晰刻出"SIA"三個英文字母(瀋陽自動化所的縮寫)。另一個演示顯示，機器人成功將一個4微米長、100納米粗的碳納米管，準確地移動到了一個刻好的溝槽里，也就是說，該機器人誤差不超過千萬分之一米。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。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。
儘管如此，但我國納米技術研發力量比較分散，難以形成規模優勢。研發力量主要集中在津京地區的高等院校和科研院所。企業介入納米技術的研發領域占5%，力量薄弱且層次不高。80%的研發力量集中於金屬和無機物非金屬納米材料，高分子和化學合成材料等方面。但在較低層次的納米材料領域，就集中了一半以上的研發力量，在納米核心技術--納米電子、納米機械、納米生物、醫藥、納米檢測等重要領域，力量薄弱。
納米機器人各領域應用
納米機器人是納米技術中重要的研究課題之一。納米機器人的出現引起了世界上工業先進國家的廣泛重視。在美國,2002年用於研究納米技術的資金達到5.19億美元,其中有0.5億美元專供美國宇航局(NASA)開發納米機器人使用。日本、德國、瑞士和荷蘭也緊跟其後。,在2010年以後,人們就能見到實用的納米機器人,並將在各領域中加以應用,從信息科技到生物科技,從醫藥學到航天航空,將處處都能見到納米技術———納米機器人的運用。
納米技術可以在3個方面與醫學相結合: (1)高靈敏度、精確的生物納米結構與特性的探測技術,如疾病早期診斷的納米傳感器系統; (2)治療藥物的納米化以及新型藥劑學的發展; (3)結合微創醫療的精細治療手術,如血管內的納米機器人手術等。
納米技術的發展將使未來的醫學進入超微時代,而納米技術在醫學領域的應用將開始形成一門新興的應用科學———納米醫學(nanomedicine)。納米技術與仿生學結合研製的納米醫用機器人將會給人類醫學帶來巨大的變革。不久前,美國紐約大學研製出1台納米機器人,該機器人的手臂是用兩個DNA分子製作的,可以自如地在固定的位置間旋轉。最近,瑞典也研製出1台納米醫用機器人,該機器人的手臂、肘部和腕部均十分靈活,且有2～4個十分靈巧的手指。
納米醫用機器人可以遨遊於人體內,能在血液和細胞介質中工作,也能在血管中遊走。因此,它們可以用來捕捉和移動單個細胞,也可以用來清除血管壁甚至心臟動脈上的脂肪沉積物,激發血細胞的活性,完成醫生不能完成的血管修補等「細活」。納米醫用機器人也可以進入人體組織的間隙里清除病毒細菌或癌細胞,帶有微型攝像頭的納米機器人 正在清除一個患病的細胞 甚至可以代替外科手術,修復心臟、大腦和其他器官等,並可作整容手術。在不久的將來,被視為當今疑難病症的艾滋病、高血壓、癌症等都將迎刃而解。納米醫用機器人可在人體血管中穿行,可以準確地探測到病變發生的位置,並且可以針對單個的病變細胞釋放精確劑量的藥物,將藥物的副作用降到最低程度,以達到最快最佳的療效;同時,可以探測人體內化學和生物化學成分的變化,適時地釋放藥物及人體所需的微量物質,改善人體的健康狀況。這將是21世紀內科疾病治療的革命。當然,它們也可以用來對人體進行定期的健康檢查。
未來的軍事力量及未來的戰爭都將越來越取決於一個國家在新式武器研發中科學技術的含量。那種完全依靠人海戰術的戰爭將一去永不復返。
軍用納米機器人,俗稱為「螞蟻士兵」,是一種比螞蟻還要小的靠太陽能電波驅動的具有驚人破壞力的機器人。它們可以通過多種途徑潛入敵方的軍事要害部門(司令部、兵工廠、元首辦公室和秘密基地等)開展偵察活動,甚至直接攻擊目標。比如,用特種炸藥引爆目標,破壞敵方的電子設備與電腦網絡(如使其短路毀壞),施放各種化學製劑(如使金屬變脆、油料凝固,或使敵方人員神經麻痹失去戰鬥力),甚至埋設微型地雷和充當爆破手。這種納米機器人還可以充當潛伏特務,隱藏在主機設備中可以長達數十年之久;平時相安無事,無聲無息,一旦戰事爆發,通過微型遙控裝置可以誘發它們群起而攻之,迅速破壞敵方作戰系統。
納米機器人前景展望
在21世紀，納米科學技術將成為科學技術發展的主流。納米機器人的發展是化學、物理、生物、工程、醫學、材料科學等多門學科發展的結果，必將促進21世紀科學技術。納米機器人尚在研究開發階段，但其潛在應用十分廣泛的跨學科教育。納米機器人將對21世紀初的經濟與社會產生深刻影響，也許可與信息技術、細胞生物學、遺傳生物學與分子生物學的影響匹敵。從應用的範圍和潛力方面講，無論是軍用還是民用，納米機器人的未來是不可估量的，由於其不同的功能，高表面積與體積比，納米結構對於化學和生物傳感器、醫療設備、觸媒、光電材料和納米元件非常重要。多種材料選擇加上不同的合成策略，產生了不同形態的納米材料，如納米級薄膜、納米線、納米管、納米帶、納米粒子和納米多孔結構等。這種多功能的和多成分分層的異晶結構是非常有用的，必將在許多方面影響我們的生活，從納米汽車到納米電子技術，隨着納米機器人技術逐漸產業化日趨成熟，其產業化和市場化的前景是十分可觀的。
雖然迄今為止尚無納米機器人真正進入我們的生活，但它們對人類生活的影響是顯而易見的，尤其是在醫療領域，許多尚無有效療法的絕症在納米機器人面前，將會被徹底治癒，人類將會減少疾病所帶來的痛苦，人的壽命也將得到延長。同時，在探索納米機器人的路上，我們需要時刻記住，納米機器人的研發存在相當大的困難，短期內不一定能有成效，我們只有堅持不懈的進行攻關，不斷試驗，方可獲得成功。