纳米机器人是什么?关于纳米机器人的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:46:08

纳米机器人又称小型机器人,“纳米机器人”是机器人工程学的一种新兴科技,纳米机器人的研制属于“分子纳米技术(Molecular nanotechnology,简称MNT)”的范畴,它根据分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。

纳米机器人的设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计,开发“在体”或“湿”的生物计算机或细胞机器人,从而产生了另种方式的纳米机器人技术。

产生背景

早在1959年率先提出纳米技术的设想是诺贝尔奖得主、理论物理学家理查德-费曼,他提出利用微型机器人进行治病的想法。理德·费曼在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出:人类将来有可能建造一种分子大小的微型机器,以分子甚至单个的原子作为部件在非常细小的空间构建物质,这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。

随着技术的发展,理查德-费曼的想法正在逐渐被实现。1981年,格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔在IBM位于苏黎世的实验室发明了扫描隧道显微镜,随后,G.Binning等人又在STM的基础上发明了原子力显微镜。从此,人类能够观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质,还可以在低温下利用探针精确操纵原子,它们既是纳米科技的重要测量工具又是加工工具。自此,人类开始进入纳米时代,纳米机器人的概念也就应运而生。

所谓纳米机器人,是根据分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的"功能分子器件。从技术层面讲,纳米机器人分为两类:一类是体积为纳米级的纳米机器人,一类是用于纳米级操作的装置。限于技术水平,目前并没有真正意义上的纳米级体积、可控的纳米机器人,而用于纳米级操作的装置,只要求装置的末端操作尺寸微小精确即可,并不要求装置本身的尺寸是纳米级的,与常规机器人类似,因此发展较快,比如STM和AFM。

研究现状

国外研究现状

2010 年 5 月,美国哥伦比亚大学的科学家成功研制出一种由脱氧核糖核酸(DNA)分子构成的纳米蜘蛛机器人,如图 所示。 这种机器人能够跟随 DNA 的运行轨迹自由地行走、 移动、 转向以及停止,并且他们能够自由地在二维物体的表面行走。 这种纳米蜘蛛机器人只有 4 纳米长,比人类头发直径的十万分之一还小。

通过编程可以让纳米机器人按照特定的轨道行动。 这一研究成果表明:一旦被编程,纳米蜘蛛机器人就能自动完成任务,而不需要人为介入。 因此,纳米蜘蛛机器人被认为是用于医疗事业、帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的、帮助人们完成外科手术、清理动脉血管垃圾等领域的最理想工具。当然,科学家还在不断地对纳米蜘蛛机器人进行改进,他们的目标是:在未来创造大量这种纳米机器人,让他们自动且不间断地在身体内巡逻,寻找各种疾病信号,为医生做出更精确的诊断提供依据。

不久前的"WSJD在线"全球技术大会上,谷歌X实验室生命科学小组负责人安德鲁·康拉德透露,谷歌正在设计一种纳米磁性粒子,这种粒子可以进入人体循环系统,进行癌症和其他疾病的早期诊断。纳米磁性粒子,其实就是纳米机器人。虽然想象无比美好,美国、日本等一些研究机构也都成功研发出了应用于各种疾病检测治疗的纳米机器人,但迄今为止,纳米机器人技术依然停留在研发试验阶段,还没有哪个项目的成果真正进入临床。

美国佛罗里达大学化学副教授查尔斯·曹和医学院胃肠道及肝脏研究主席、病理学教授刘晨领导开发出一种瞄准肝脏中C型肝炎病毒的纳米机器人,称为"纳米酶",它是由黄金纳米粒子作主支架,表面主要是两种生物成分:一种能破坏有"基因传令官"之称的mRNA(信使核糖核酸)的酶,而mRNA可制造导致疾病的蛋白质;另一种是DNA(脱氧核糖核酸)低核苷酸大分子,能识别目标遗传物质,并通知它的酶伙伴来执行任务。"纳米酶"还可通过剪裁来匹配攻击目标的遗传物质,并利用身体固有的防御机制潜入细胞内而不被觉察。实验中,这种新式纳米粒子几乎能根除C型肝炎病毒感染,可编程性还让它们有可能抵抗多种疾病,如癌症及其他病毒感染。研究人员指出,这种纳米机器人还需要进一步实验以确定其安全性,将来可能采用口服药丸的形式。

国内研究现状

据报道,中国科学院沈阳自动化所研制成功一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机,并通过了国家"863"自动化领域智能机器人专家组的验收。这台"纳米微操作机器人"能在一块硅基片上2平方微米(一微米为百万分之一米)的范围内清晰刻出"SIA"三个英文字母(沈阳自动化所的缩写)。另一个演示显示,机器人成功将一个4微米长、100纳米粗的碳纳米管,准确地移动到了一个刻好的沟槽里,也就是说,该机器人误差不超过千万分之一米。

在纳米尺度上的操作,被称为"纳米微操作",是纳米技术的重要内容,其目的是在纳米尺度上按人的意愿对纳米材料实现移动、整形、刻画以及装配等工作。这台机器人系统在纳米尺度下的系统建模方法、三维纳观力获取与感知及误差分析与补偿方面有很多突破与创新。

尽管如此,但我国纳米技术研发力量比较分散,难以形成规模优势。研发力量主要集中在津京地区的高等院校和科研院所。企业介入纳米技术的研发领域占 5%,力量薄弱且层次不高。 80%的研发力量集中于金属和无机物非金属纳米材料,高分子和化学合成材料等方面。但在较低层次的纳米材料领域,就集中了一半以上的研发力量,在纳米核心技术--纳米电子、纳米机械、纳米生物、医药、纳米检测等重要领域,力量薄弱。

基本结构

VLSI及纳米电子电路

纳米机器人的核心之一无疑是其内部的纳米级电路。近年来,随着纳米电子领域的进步,相关的电路工作和数据传输的能耗下降了60%,使得一直以来困扰纳米电子器件得到了一定程度的缓解,从而为纳米电路的大规模应用铺平了道路。

化学传感器

对用于疾病检测领域的纳米机器人来说,实现对人体内部某些特定结构的生物大分子的检测是十分重要的。这可以帮助医生在疾病的早期阶段就确诊疾病,从而有针对性地制定治疗方案,显著提升疾病的治愈率。而用于生物大分子探测的纳米化学传感器可以有效实现这一功能。

温度传感器

在病人的体内组织发生病变时,病变部位的温度会发生显著的变化,因此,基于纳米电路的温度传感器在人体内部环境的温度检测中有着潜在的应用。配备了温度传感器的纳米机器人可以为识别确定患病部位,并为药物的

精准运输提供指引。

驱动器

根据应用场合的不同,纳米机器人的驱动器大致可以分为以下几种:电磁式、压电式、静电式和热电式。而随着生物技术的发展,基于仿生学原理的鞭毛状驱动器和 ATP 驱动的生物分子马达也被认为有着一定的应用价值。近年来,分子级别驱动器(“分子马达”)的研究领域有了突破性的进展,在这一领域作出突出贡献的三位科学家也因此获得了 2016 年度的诺贝尔化学奖。近年来,在人工组装的分子机械领域已取得了较大的进步。人们已经可以较为精确地将分子放置到指定的位置,并利用原子之间的化学键执行旋转等一系列运动。但由于我们对于分子机械工作原理的了解还十分有限,在分子机械的力学和运动特征上的研究还处在入门阶段,还没有能够实现对分子机械的定量分析,并实现设计可以执行准确动作的分子机械。

供能装置

对于一个在人体内部执行复杂任务的医用纳米机器人来说,为实现在人体内部长时间高效率的运转,就需要一个清洁可控并能连续运行的能源供给装置。由于纳米机器人内部的空间有限,且纳米机器人的运行环境较为特殊,因此需要外界电源通过无线供电手段进行小功率连续供电。

数据传输

在深入人体的纳米机器人上植入微型传感器可以感知病人的环境的细微变化,为制定更加有效的治疗方案提供保证。但有一个问题也随之而来,那就是如何与人体内部的纳米机器人建立通讯,得到体内传感器所接收到的信号。如果需要将纳米机器人移出体外进行读取,不仅会造成不必要的拖延,贻误治疗时机,同时还需要在机器人上安装数据存储装置,压缩其内部本就有限的空间。因此,在机器人上安装数据传输装置,实现随时随地的数据读取和接收,就成了自然而然的选择。

技术原理

纳米生物学的产生是与SPM的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的事情。不同于宏观生物学,纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。 纳米生物学的加工技术可以向生物细胞学习。

事实上,每一个细胞都是一个活生生的纳米技术应用的实例:细胞不仅将燃料转化为能量,而且按照储存在DNA中的信息来建造和激活蛋白质和酶,通过对不同物种的DNA进行重组,基因工程家已经学会建造新的这类纳米工具,例如用细菌细胞来生产医用激素。科学家根据分子病理学的原理已经研制出各种各样的可以进入人体微观世界行走的纳米机器人,有望用于清除有害物质、修复损坏基因、激活细胞能量、维护人体健康和延长人类寿命。医用纳米机器人还处在试验阶段。

应用领域

由于纳米机器人的独特功能,使得它深入到人体内,为病人提供全新的治疗方案。因此,将纳米机器人应用到治疗领域被认为是医学发展历史上的一次重大进步。近年来,在生物分子计算和纳米电子领域的进步,为纳米级别处理器的出现提供了基础。而在其他方面,纳米级别的生物与化学传感器,以及纳米机器人的动力系统的研究,也在近年来取得了一定进步。由于纳米机器人自身的微小尺寸,这项技术被认为在如下几个方面具有广阔的应用前景,一是通过识别人体内部的一些化学信号的变化,在一些重大疾病的早期阶段进行诊断,并在病情恶化之前提供更加有效的治疗方案,从以较低的治疗成本根除相应的疾病;或是利用自身的微小尺寸,深入到患者体内,进行微创手术或是将药物分子或免疫细胞传送到指定位置,以辅助治疗与免疫过程的进行。纳米机器人在这两方面的应用,可以为患者提供更加个性化的治疗方案,并利用自身的微小尺寸深入到细胞内部,帮助医学研究者从分子层面上实现对疾病的认识。下面,我们将从几个方面简要谈一谈纳米机器人在医学领域的应用前景。

纳米牙医学

传统的牙科治疗过程往往需要在患者的病上进行修补,或是直接将其替换为假牙,整个过程不仅痛苦,而且修复后的牙齿与天然牙齿在材料上存在一定的差异,对整体的美观度有着一定的负面影响。而纳米机器人可以在不产生痛觉的情况下对牙齿组织进行修补,或调整牙齿的不规则排列,并在治疗过程中提升牙齿的耐久性,因此在牙科领域有着广阔的应用前景。在纳米牙医学技术中,纳米机器人可以通过分子级别的物质组装,更换包括外部的牙釉质以及内部的细胞组织在内的牙齿各部分组织,甚至在此基础上实现对于整个牙齿的更换。

基因疗法

纳米机器人自身微小的结构特征是它得天独厚的优势,使它可以深入到细胞内部,实现对细胞内生物大分子结构特征的检测和修饰。这为深入患者细胞核内部,直接修改患病基因的基因疗法的实现奠定了基础。

体内运输

由于纳米机器人自身的特殊性质以及微小尺寸,它在药物运输领域拥有巨大潜力,被认为能实现将药物分子直接通过循环系统运输到患病组织的功能。这在减少用药量、提高治疗效率的同时,也能够减少药物的毒副作用以及随之而来的对健康细胞的损害,这被认为在癌症的化学疗法中有着广阔的发展前景。

疾病检测

深入人体各关键部位,对化学信号的变化进行监测,是纳米机器人在医疗领域的另一项重要应用。随血液系统在人体内部循环的纳米机器人可以在不抽血的情况下被用于检测糖尿病人体内的血糖浓度,或是检测某些关键化学物质的细微变化,及早发现某些重大疾病的先兆。

前沿科技

作为一个尚处于发展阶段初期的领域,在纳米机器人领域中的研究中仍然有许多的工作有待完成。但与宏观的机器人相类似,作为一个多学科交叉的研究领域,在相关学科包括计算机科学、电子科学和纳米科学等领域中的进步,同样会推动在纳米机器人领域的进步。下面,我们将选择深度学习与微纳探测和加工技术两个方面,来谈一谈现阶段在纳米机器人领域的研究进展。

纳米传感器中的应用

由于纳米机器人的微小尺寸所限,安装在纳米机器人上的传感器通常只能检测单个分子量级的信号,同时由于传感器的工作环境通常是密度较高的液体环境,因此在检测过程中将会产生规模庞大的数据流。这些数据流通常是将化学信号转化为电流、电导率等参数的变化,是一个一维随时间变化的信号。通常认为对这一类数据的分析是很有难度的,这不仅是因为数据量的庞大,同时也因为我们对于所处理信号的特征的了解程度有限,缺乏可供识别提取的明显特征,而工作在液体环境中的化学传感器需要接受大量噪声信号,输出得到的信噪比较低,因此在信号处理过程中,我们通常需要借助一些特殊的数据处理方法,以提取得到有用信息,用于之后进一步的应用。

自动化装配领域中的应用

在纳米机器人的研究过程中,由于我们在纳米电子器件设计等领域仍然存在着诸多的障碍,距离完全由人工制造的纳米机器人的问世仍有待时日。但现在,人们已经可以借助一些微纳测量和加工设备,包括原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)等一窥纳米世界的奥秘,制造一些纳米尺度的复杂器件,这无疑为纳米机器人的最终实现打下了坚实的基础。

制造纳米级别的器件通常有如下三条途径:从上往下型,包括电子束刻蚀以及光刻蚀;从下往上型,包括自我组装和化学合成,通过物理定律的作用将势能降到最低。这些技术可以直接通过组装分子原子得到所需要的器件,但在目前,将原子放置到指定位置以调整器件性能的工作无疑是非常困难的。而最后一条途径,即纳米级别的自动化控制,可以为纳米级别的元器件组装提供精准的定位和灵活的控制,因此被认为是纳米器件制造中最有希望的途径,同时也是近年来相关领域的研究热点之一。

第一种被用于纳米装配的器件是扫描隧道显微镜(STM),它可以让人们以高分辨率观察和定位单个原子,但由于它自身的工作原理所限,在使用过程中要求探针和被加工物体均为导体,因此无法满足大多数场合中的需要;原子力显微镜(AFM)是一种可以实现亚纳米级别图像显示和操作的工具,同时也可以完成对不同环境和不同材料的加工,用途更为广泛。但这一工具存在一个缺陷,就是在现阶段完成一次AFM的扫描过程至少需要消耗数分钟的时间,无法实现对于操作区域的实时显示。而这种“一动一扫描”的工作方式,无疑将极大地延长加工时间,从而限制了AFM微纳加工方法的适用范围。穿透式电子显微镜(TEM)则是通过发射高能电子束穿透样品来实现亚纳米级别的探测,但这一方法只能用于加工具有特定属性的样品,同时TEM内部有限的空间也将限制其加工复杂纳米形状的能力。而扫描电子显微镜(SEM)在纳米加工领域兼具了以上诸多设备的优点,并克服了其他设备的一些缺点,能够实时显示加工部位的图像,同时能够不受限制地加工复杂形状。因此,SEM技术被认为是在纳米级别装配中最有应用前景的技术。