纳米机器人是一个学科高度穿插的研讨范畴，触及物理、化学、资料、生物等多个学科的根底科学研讨。
撰文 | 王威（哈尔滨工业大学(深圳)教授）
说起纳米机器（nanomachines），人们恐怕难免联想到科幻小说或许科幻电影。读者会纵情畅思，联想到科幻电影中用于修正星际战舰船体的纳米机器人，在没有硝烟和声响的战场上，把破损的结构撤除、分化、修正；或许从实际需求动身，脑海中显现出在血管中络绎的小小机器人，它们可以有几个尖锐的爪子，美妙躲避着红细胞、白细胞，或许喷出药物，或许切开钻削，为人类的健康而奔走在血液之中。
科学幻想中的纳米机器人在血液中拖曳红细胞 | 来历：http:///a/246917314_740022
一个群众文学中对此的经典幻想，是1966年Harry Kleiner的电影《美妙的航程》（Fantastic Voyage，艾萨克 阿西莫夫对该剧本改编为同名小说）。在美苏争霸的暗斗大布景下，一队美国科学家登上了缩小到了微米标准的潜水艇中，进入了一个受伤的外交官的血液中。尽管每次心跳所引起的血液动摇都让潜艇随时处于倾覆的边际，身体内的抗体也把潜艇当做了感染源而张狂进犯，勇敢的主角们依然可以操作潜艇在血液中转危为安，并炸毁危及生命的血栓，毕竟成功拯救了外交官的性命。
以上这些科幻电影中的场景，或许会让稚气的孩子们振奋非常，而年长的人们则难免会半信半疑，乃至不以为然。1纳米是1米的十亿分之一，这些比头发丝（大约50微米，即5万纳米）还细微得多的纳米机器人如同威力无量但又遥（微）不行及，尽管近几十年来常常被人提起，却又如同从未真实呈现过。
咱们毕竟间隔这一天还有多远？沿路有哪些艰险弯曲？为之支付巨大的人力物力是值得的吗？
纳米机器的三大艰险
有些人以为，纳米机器毕竟仅仅科学家和科幻圈的一场小众狂欢。这样的质疑和失望如同非常有道理。从上世纪50、60年代以来，在世界科技开展行进的大多数时刻里，纳米机器都徜徉于神往和愿望之中。纳米标准的物体运动要客服太多的艰难艰险。比方，物体越小，遭到空气、水分子的无规碰击的影响就越大，其运动会显得非常无规则。这种被称为“布朗运动”的效应在微观上简直无法发觉，但在微观上会非常显着。布朗运动和颗粒的化学组成与密度无关，与温度直接相关，因而无法铲除。当物体越来越小，就需求战胜越来越显着的布朗运动。因而，在纳米标准，简直一切的定向运动都会让坐落与之比较巨大得多的环境扰动。这也使准确操控微纳米机器变得极端困难。（1966年的电影中，主人公们操作器微纳米潜水艇如同挥洒自如，布朗运动在这一电影中被极大的忽视了）
此外，现在（2019年）最精细的机械加工精度大约是5纳米，这也是英特尔等芯片厂商经过数十年的不断行进所取得的惊人成果。但是这样的精度或许仍不足以制作咱们所需的精细部件，来拼装成满足需求的纳米机器人，让其有手有脚有脑有天线等。而即使咱们的加工精度达到了要求，如安在纳米标准上用极端细微的镊子将这些比头发丝还细微一万倍的零件一个个拼装起来，更是技能上令人咋舌、乃至无法跨越的顶峰。
人头发丝上使用双光子光刻办法3D打印的跳舞的女性| 来历：https:///blog/2014/11/13/the-teeniest-3d-printed-human-ever
第三，即使咱们想出了高着儿战胜布朗运动的搅扰，也开发出了非常精细的技能以出产、拼装纳米标准的机器，咱们依然需求细心考虑这样的机器怎么运作。在微观标准，惯性的效果很强壮，因而微观的动物、机器可以毕竟靠简略的手臂弹性或许身体摇晃就可以顺利地运动起来（幻想一下人游水的姿态）。但这样的“往复式”（reciprocal）运动在微观世界则寸步难行。对这一问题，1952年诺贝尔物理学奖得主Purcell在1976年的一场讲演中初次提出了所谓“扇贝规律”（scallop theorem），即像扇贝相同循环往复运动身体部件，是无法让微生物发作净位移的，只会让它在原地来回运动。因而，相同受制于扇贝规律的纳米机器人也无法使用螺旋桨、背鳍、尾翼等部件的摇动来运动，而需求新的驱动办法。
扇贝定理示意图。如同扇贝相同往复式地翻开和封闭无法在微观世界运动 | 来历：Bechinger, C.; Di Leonardo, R.; L wen, H.; Reichhardt, C.; Volpe, G.; Volpe, G. Active Particles in Complex and Crowded Environments. Rev. Mod. Phys. 2016, 88 (4), 045006–045050.
为什么微纳机器人不能像扇贝相同往复运动？非常非常简化的解说如下：流体的活动一般由一组称为纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）的非线性偏微分方程描绘。关于微纳标准运动的物体来说，惯性对它们的影响很小，而液体对它们来说非常粘稠（所谓低“雷诺数”流体环境）。在此状况下，斯托克斯方程的简化表达式为：
-▽p+ μ▽^2u=0，▽u=0
这是一个线性方程。这在某种程度上预示着流体的流速与所施加的力成份额，即 ▽p= μ▽^2u。由于在该方程中不存在与时刻相关的项，且方程是线性的，这在某种程度上预示着关于彻底往复的运动，物体无法取得净的向前运动（即扇贝定理）。
怎样完成纳米机器？
环境非常恶劣，又无法像微观的机器相同往复运动，完成纳米机器从前寸步难行。但科技开展一日千里，今日的咱们已具有远胜于五十年前的常识和技能水平。纳米机器的组成、制备与开发现已逐步变得或许。此外，人们也知道到，自然界其实早已充满了各式纳米机器。例如，细胞内的输运蛋白可以战胜布朗运动，在微管制组成的轨迹上来来回回运动，像货运卡车相同在细胞内输运巨大的货品；ATP组成酶精巧地旋转一圈，借由细胞表里的氢离子梯度，为细胞出产出所需的食物ATP；大肠杆菌、精子细胞、草履虫等八仙过海各显神通，挥动鞭毛、纤毛，在恶劣的环境中游弋并找到食物。这些精巧异常的生物纳米机器让人拍案叫绝，也为咱们规划纳米机器供给了最名贵的经历。
游动的大肠杆菌的卡通示意图 | 来历：https://tech.sina.com.cn/d/f/2018-09-12/doc-ihiixyeu6409974.shtml
咱们在这里介绍一种很常见的让微纳米机器在流体中运动起来的办法。这种办法首要需求制备一种外表资料散布不均匀的颗粒，也称为Janus颗粒。这个姓名来历于古罗马的神袛双面神Janus，它有两张面孔，一张回望曩昔，一张瞭望未来。因而这种颗粒也被称为双面神颗粒（这也是英文单词一月January的词源）。最简略的双面神颗粒是一个微纳米球，一半覆盖了某种资料（例如金属铂），可以在溶液中发作特定的化学反应（例如铂催化的过氧化氢分化）。由于颗粒两面的资料不同，化学反应发作了化学物质浓度梯度，在此梯度下颗粒可以由于各种不同的机制（泛泛来说是某种“泳”机制，即phoresis）运动起来。
罗马双面神Janus | 来历：http:///a/196546395_256799
这种靠化学物质的梯度而运动的原理，也适用于微观物体。例如，漂浮在睡觉的番笕船上的番笕溶解在水中，由于船的形状不对称，然后构成了外表张力的梯度，拉动了番笕船的运动。《三体》中云天明便是借此暗喻了曲率驱动这一星际飞行的战略。
曲率驱动的原理幻想图。经过操控飞船前后端空间曲率，完成飞船超光速的运动。| 来历：https:///technology/article/2013-03/faster-light-drive/
这样的微纳米机器如同车头吊着一个胡萝卜的驴车。前面有胡萝卜后边没有，这样就得到了一个“胡萝卜的梯度”。驴感遭到这一梯度，被其招引，自发向前运动。这个梯度不会由于驴车的运动就消失，而是无时无刻保持在驴车周围的，因而驴车可以继续不断的向前运动。这并不是永动机，由于驴子运动需求不断耗费能量，转化为车的动能。事实上，许多化学驱动的微纳米机器中，其外表的化学反应会继续不断地耗费化学物质，因而“胡萝卜”会渐渐的小，对驴子的招引力越来越弱，毕竟机器中止运转。制作一种可以连绵不断从环境中高效罗致能量的微纳米机器一直是一个很重要的课题。
读者或许可以意识到，这种使用梯度场（“胡萝卜”）驱动微纳机器的办法，和咱们一般了解的机器的运转办法不同极大。一般的机器，中心运动构件是马达，其运动是靠电磁场下转子的旋转得到的。如前所述，这种往复式运动并不能驱动微纳米机器。而现在开发出来的用于驱动微纳米机器的梯度场办法，往往功率低下，操控也很差，也并不会有人用这样的办法驱动轿车。但这是咱们现在针对微纳米机器人的特别环境和约束所不得不做出的献身。
https://steempeak.com/steemit/@denmarkguy/steemit-musings-if-you-take-away-the-carrot-the-donkey-stops-moving
纳米机器远景诱人
在作业原理、制作、操控等几个方面，纳米机器都面临着巨大的应战，但也孕育着巨大的报答。纳米机器人在生物、医药、环境、军事、航天等多个国计民生严重范畴有巨大的潜在用处，或许可以让世界发作咱们做梦都无法幻想的革新，因而招引着一批批科技作业者前赴后继投身这个范畴。
在来自世界各地（包含我国）的科研人员的不懈尽力下，现在在世界范围内掀起了微纳米机器研讨的新热潮。自21世纪初以来，人们组成出了许许多多不同品种的微纳米资料及精巧的分子，并经过化学能、电能、磁能、光能、声能、热能等各种供能办法，让这些人工制作的分子与颗粒在微纳米标准运动起来。研讨人员发布了数以千计的论文、专利、学术报告，来评论这些资料的组成、驱动机制、相互效果机理，并结合理论和数值模仿，对试验中观察到的现象进行细致而全面的剖析。2016年的诺贝尔化学奖，就颁给了三位超分子范畴的专家，以赞誉他们在分子机器组成范畴的卓越贡献。
2016年化学诺奖三位得主 | 来历：https:///science/chemistry/nobel-2016-chemistry-62478/
现在，一大批科学作业者和工程师们经过精心规划，已成功将在微米标准游动的微纳米机器人使用于生物勘探、智能载药、可控药物开释、血栓铲除、杀死肿瘤细胞、环境污染物监测、环境管理、微纳米拼装等多个范畴。
石墨烯包覆的微米管在过氧化氢中喷发气泡运动，铲除水中的污染物 | 来历：https:///graphene-based-nanobots-could-clean-up-the-metal-from-our-oceans
在超声波驱动下，双金属微米棒在宫颈癌细胞内翻腾搅动 | 来历：https://phys.org/news/2014-02-nanomotors-cells-video.html
特别需求指出的是，尽管纳米机器人有许多潜在的使用，社会群众也对这方面的研讨非常重视，但纳米机器人的研讨不单单是使用研讨，也不只仅触及工程范畴。事实上，这是一个学科高度穿插的研讨范畴，触及物理、化学、资料、生物等多个学科的根底科学研讨。
例如，微纳米机器的制备往往不能依托机械加工手法（即使是精细的微纳加工技能也力有不逮），而是要经过物理、化学的办法组成、制备出具有特别结构和功用的分子和微纳米资料。而这些资料如安在各种试验环境和参数条件下，依照人们的需求作出行进、撤退、旋转等运动，离不开关于其电学、磁学、化学性质等方面的深化了解，以及对其周围环境中化学场、流体场、电磁场的知道。
此外，“一个好汉三个帮”，在品种繁复的使用中，纳米机器人想必也需求和很多火伴们相互协作。因而，它们之间的相互效果、自拼装、群体行为、通讯机制等，关于其使用也是需求细心研讨的问题。除此之外，还有很多大大小小的科学问题等着科学家们去探究，并根据这些发现，来开发出新式的纳米机器人运动、操控和使用技能。
哈佛大学研发的毫米尺度机器人可以自拼装为特定形状 | 来历：https://plexity) 。这一研讨范畴被称作“活性物质”，近年来在国表里也引起了极大的重视。或许有朝一日，微纳米机器人可以不只医治癌症，还可以在物理学家的尽力下，协助咱们了解肿瘤的构成和搬运机制，以及鸟群、鱼群等自然界杂乱的群体行为。
海洋中的许多鱼类可以自发安排成大型的鱼群以吓阻捕食者 | 来历：http:///underwater-photography-techniques/article/photographing-schooling-fish/
纳米机器是不是威力无量？能不能完成咱们寄予厚望的各种美妙的功用？咱们现在还不得而知。但简直每一天都会看到相关研讨取得了风趣和有意义的发展，相关的新闻报道也层出不穷。最终，附上一段网络媒体[1]2013年关于微纳米机器人的描绘。或许完成这些愿望的那个“将来某一天”现已并不悠远。
“将来某一天，一名脑血栓患者躺在医院手术室中等候承受风险的脑血栓移除手术，但是，为他做手术的并不是穿戴白大褂的医师，而是两百万个肉眼看不见的“纳米机器人”！它们被装在一个通明的玻璃瓶中，当医师将装有纳米机器人的液体注入患者血管后，这些“纳米机器医师”开端游向患者脑部，然后分工合作为患者做手术。
一些纳米机器人会从事导航使命；一些纳米机器人会从事信号传递使命，以便让手术室中的外科医师能从电子屏幕上监控手术状况；一些纳米机器人担任用“纳米镊子”夹住血栓，让另一些纳米机器人用“纳米手术刀”将血栓切成很多小块然后运走；最终一批纳米机器人则给患者大脑中的受伤安排直接上药，好让这些手术创伤能赶快康复。整个手术耗时不到半小时，当手术成功完毕后，一切纳米机器人都会在患者的血管中进入“休眠”状况，等候从他的身体中排泄出去。”
注释
[1] “纳米机器医师”行将进入人体做手术” http://news.hexun.com/2013-11-18/159763111.html
本文是作者所译《纳米机器——根底与使用》（科学出版社，2019年）一书前语的改编和扩写。
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