作者：圓的方塊 來(lái)源：果殼 

" 納米機(jī)器人 " 是電影和科幻小說(shuō)中的常客，一次又一次閃耀登場(chǎng)施展絕技。在許多人的印象中，它們就是縮小無(wú)數(shù)倍的變形金剛。

以 " 納米機(jī)器人 " 為關(guān)鍵詞，出現(xiàn)的搜索結(jié)果，畫(huà)風(fēng)都是醬嬸的：

" 史詩(shī)級(jí) "" 劃時(shí)代 "" 科技革命 "，加持在 " 納米機(jī)器人 " 上的這么多名號(hào)，到底幾分真實(shí)，幾分噱頭？現(xiàn)實(shí)與科幻到底有多少差距？

為了解答這些疑問(wèn)，今天我們就聊聊納米級(jí)機(jī)器人的 " 真身 "！

納米機(jī)器人是啥？要怎么造？

關(guān)于納米機(jī)器人，最初是從 " 尺寸 " 的角度進(jìn)行定義：" 在0.1-10 微米之內(nèi)的微型機(jī)器 "。

后來(lái)，科學(xué)家們將這個(gè)概念進(jìn)行了延伸，從 " 功能性 " 上將納米機(jī)器人定義為 " 對(duì)納米級(jí)物體進(jìn)行操作的機(jī)器 "。

無(wú)論如何定義，制造納米機(jī)器人是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。

首先，我們需要一些小零件——相當(dāng)小，可能只有發(fā)絲直徑的千分之一。

2016 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位從事 " 設(shè)計(jì)分子機(jī)器 " 的學(xué)者。他們的主要工作就是使用化學(xué)合成法，做出了很多分子級(jí)零件，比如開(kāi)關(guān)、泵和軸 [ 1 ] 。

化學(xué)方法可以合成一系列分子級(jí)別零件：一個(gè)典型的納米開(kāi)關(guān)示意圖，通過(guò)改變 pH 可以控制特定的分子進(jìn)行移動(dòng) | 參考文獻(xiàn) [ 1 ]

還有一些硬科技，可以用來(lái)造納米零件，比如光刻技術(shù)。

光刻技術(shù)主要用于制造芯片，是人類(lèi)掌握的少數(shù)幾種可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的加工技術(shù)。美國(guó)加州理工學(xué)院科學(xué)家們采用光刻技術(shù)可以造出分辨率為 25-100 納米的復(fù)雜三維金屬幾何圖形 [ 2 ] 。2019 年，美國(guó)勞倫斯 • 利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種 " 飛秒投影雙光子光刻 " 技術(shù)，可以將傳統(tǒng)技術(shù)的加工速度提升 1000 倍，只需要 8 分 20 秒就可以打印出一個(gè)芝麻大小的微納結(jié)構(gòu)，加工精度保持在納米級(jí)別 [ 3 ] 。

通過(guò)飛秒投影雙光子光刻技術(shù)制造的復(fù)雜三維微觀結(jié)構(gòu) | 參考文獻(xiàn) [ 3 ]

無(wú)論是化學(xué)法或光刻法，制造出來(lái)的是納米零件，這些零件需要進(jìn)一步組裝成機(jī)器人。如何實(shí)現(xiàn)微觀尺度的組裝，是 " 納米機(jī)器人 " 研究的另一難關(guān)。

早在上世紀(jì) 80 年代，人們就實(shí)現(xiàn)了對(duì)單原子的控制。2005 年，中國(guó)科學(xué)院成功將一個(gè) 4 微米長(zhǎng)、100 納米粗的碳納米管，準(zhǔn)確地移動(dòng)到了一個(gè)刻好的溝槽里 [ 4 ] 。然而，如何大規(guī)模進(jìn)行納米組裝仍是問(wèn)題。

2015 年，法國(guó)國(guó)家科學(xué)院的一個(gè)研究小組，成功合成了一種長(zhǎng)長(zhǎng)的聚合鏈，通過(guò)超分子鍵把成千上萬(wàn)的納米機(jī)器結(jié)合在一起，每個(gè)納米機(jī)器都能產(chǎn)生約 1 納米的線性伸縮運(yùn)動(dòng)。積少成多，這數(shù)萬(wàn)個(gè)小納米機(jī)器的運(yùn)動(dòng)整合起來(lái)，可以使聚合鏈產(chǎn)生 10 微米的收縮舒張，就像肌肉組織中那樣 [ 5 ] 。

積少成多：上萬(wàn)個(gè)納米零件的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，可以產(chǎn)生大尺度的變化 | 參考文獻(xiàn) [ 5 ]

即便如此，這些研究也只是實(shí)現(xiàn)了 " 納米零件 " 的簡(jiǎn)單聚合，真想要裝配出電影中那種微如針尖的萬(wàn)能機(jī)器，人類(lèi)還有很多路要走。

如何讓納米機(jī)器人動(dòng)起來(lái)？

除了怎么 " 做出來(lái) "，還有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是如何讓納米機(jī)器人 " 動(dòng)起來(lái) "？

最直接的方式就是裝個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家們?cè)斐隽似袷澜缟献钚　⒆羁斓奈⑿桶l(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)比一粒鹽要小 500 倍，能把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，速度可以達(dá)到每分鐘 18000 轉(zhuǎn)，相當(dāng)于噴氣式飛機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且能連續(xù)旋轉(zhuǎn) 15 小時(shí) [ 8 ] 。

納米發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖 | 參考文獻(xiàn) [ 8 ]

不過(guò)，別被這種高大上的宣傳圖騙到。實(shí)際上，這種納米發(fā)動(dòng)機(jī)只不過(guò)是一種成分為金、鎳的納米線，可以在電場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)。指望它能帶動(dòng)機(jī)器人，為時(shí)尚早。

納米發(fā)動(dòng)機(jī)的真身不過(guò)是一個(gè)納米線 | 參考文獻(xiàn) [ 8 ]

除了用電場(chǎng)，還能用磁場(chǎng)。來(lái)自 MIT 的科學(xué)家們借鑒了細(xì)菌鞭毛的模樣，用 3D 打印技術(shù)造出了只有細(xì)胞大小螺旋狀機(jī)器人，并稱(chēng)其為 "人造細(xì)菌鞭毛"。這種螺旋形狀可以幫助機(jī)器人更好地在血液中移動(dòng)。之后他們?cè)跈C(jī)器人的表面涂上了鎳鈦雙涂層，使其具有磁性。他們能夠通過(guò)外部磁場(chǎng)控制，人造細(xì)菌鞭毛的行動(dòng)路線，使其在如同血管的通道中旋轉(zhuǎn)和移動(dòng) [ 9 ] 。

也有學(xué)者腦洞大開(kāi)，想到從能運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞那里 " 借力 "。德國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用鈦 - 鐵納米薄膜做出了一種空心管，之后他們控制精子鉆到管子里，從而做出了一種精子驅(qū)動(dòng)的納米機(jī)器。因?yàn)榧{米空心管的獨(dú)特機(jī)構(gòu)，精子的頭會(huì)卡在里面，而尾巴仍然暴漏在外面。通過(guò)改變溫度等條件，可以控制精子的移動(dòng)路線和速度，從而控制這個(gè) " 精子機(jī)器人 " [ 10 ] 。

精子鉆進(jìn)納米小管里，作為動(dòng)力源 | 參考文獻(xiàn) [ 10 ]

研究者用的是牛精子。在宏觀世界里，牛就可以用于拉車(chē)。萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到，微觀世界里，它們的精子還要做 " 納米界的牛車(chē) "。

目前的納米機(jī)器人能干什么？

納米機(jī)器人最終目的，就是改善我們?nèi)祟?lèi)自身。

在 2014 年的影片《超驗(yàn)駭客》（Transcendence）中，男主角利用納米機(jī)器人修復(fù)了自己重病的身體。2015 年，谷歌技術(shù)總監(jiān)雷 · 庫(kù)茲韋爾（Ray Kurzweil）也曾提出一個(gè)觀點(diǎn)："2020 年，人類(lèi)的免疫系統(tǒng)將由納米機(jī)器人進(jìn)行接管；2030 年，納米機(jī)器人可以修正病原體，腫瘤等一系列免疫系統(tǒng)問(wèn)題 "。

不過(guò)，2020 年近在眼前，目前來(lái)看這個(gè)時(shí)間表并不準(zhǔn)確。電影中 " 一針靈治百病 " 式的納米機(jī)器人也沒(méi)有出現(xiàn)。

從血液到胃酸，如何讓納米機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜的體液環(huán)境？在錯(cuò)綜復(fù)雜的血管中，怎么定位或驅(qū)動(dòng)如塵埃般大小的納米機(jī)器人？在數(shù)百萬(wàn)的細(xì)胞中，怎樣讓納米機(jī)器人識(shí)別出患病的那個(gè)？誠(chéng)然，疾病治療是納米機(jī)器人最重要、也是投入最多的研究方向，但實(shí)際中的重重困難讓這個(gè)領(lǐng)域步履蹣跚。

當(dāng)然，技術(shù)的進(jìn)步給這些問(wèn)題提供了一些可能的解決方案。2019 年，加州理工學(xué)院的科學(xué)家們把納米機(jī)器人放在一個(gè)膠囊里并注射進(jìn)生物體內(nèi)。這層膠囊可以防止納米機(jī)器人被胃酸等體液破壞。

隨后，他們利用一種名為 "光聲斷層掃描技術(shù)" 在體外對(duì)這些納米機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)時(shí)定位。當(dāng)機(jī)器人膠囊抵達(dá)病患區(qū)域時(shí)，可以用外源近紅外光穿過(guò)人體組織，引發(fā)膠囊破裂從而釋放納米機(jī)器人，這些機(jī)器人在病患區(qū)域的停留并釋放藥物。此外，也可以把能識(shí)別癌細(xì)胞的特定蛋白質(zhì)修飾在納米機(jī)器人上。注入體內(nèi)之后，這些蛋白質(zhì)可以作為 " 眼睛 "，讓納米機(jī)器人分辨出癌細(xì)胞，以進(jìn)行精確打擊。

不過(guò)，這些研究都是在動(dòng)物身上進(jìn)行的。截至目前，市面上還沒(méi)有真正成熟的納米機(jī)器人醫(yī)療產(chǎn)品。

雖然還不能指望納米機(jī)器人 " 治病救人 "，不過(guò)，人們還是從納米機(jī)器人身上找點(diǎn)樂(lè)子。

2017 年，來(lái)自三大洲的 6 支隊(duì)伍在法國(guó)南部進(jìn)行了一場(chǎng)納米車(chē)大賽 [ 12 ] [ 14 ] 。賽道由黃金制成的，全長(zhǎng) 100nm。參賽者將駕駛單個(gè)分子進(jìn)行比賽。全程使用掃描隧道顯微鏡等特殊設(shè)備產(chǎn)生電流，" 推動(dòng) " 納米小車(chē)前進(jìn)。最后美國(guó) - 奧地利聯(lián)隊(duì)以每小時(shí) 35 納米取得了冠軍。

首屆納米車(chē)大賽參賽的 " 納米車(chē) " 示意圖 | foresight.org

當(dāng)然，這些到底是不是 " 車(chē) "，你也可以持保留意見(jiàn)的，但這場(chǎng)賽事背后的意義遠(yuǎn)不只 " 找樂(lè)子 " 這么簡(jiǎn)單。納米車(chē)大賽實(shí)際上是挑戰(zhàn)了人類(lèi)對(duì)單分子的極限操控能力。科學(xué)家們也想借此引起人們對(duì)納米機(jī)器的關(guān)注，他們甚至和國(guó)際汽聯(lián)簽署了合作協(xié)議來(lái)推動(dòng)納米車(chē)大賽的發(fā)展。

對(duì)于 " 納米機(jī)器人 "，雖然我們目前能看到的成品十分簡(jiǎn)單，有些甚至只能算是一些 " 納米的小零件 "。也許，將來(lái)的一天，生病的你來(lái)到醫(yī)院，醫(yī)生開(kāi)出的方子上會(huì)寫(xiě)著：" 注射 5 毫升納米機(jī)器人，多喝熱水 "。

未來(lái)并不遙遠(yuǎn)，但也沒(méi)那么近。希望技術(shù)的快速迭代，能早日讓納米機(jī)器人造福人類(lèi)。

作者：圓的方塊

編輯：Yuki

排版：Yao

題圖來(lái)源：The Nanorobotics Laboratory polytechnique Montreal

參考文獻(xiàn)：

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