納米機器人

常曉

1987年，在美國上映的科幻大片《驚異大奇航》中，這樣一個情節(jié)令人印象深刻———科學家把變微小的人和飛船注射進人體，讓這些縮小的“參觀者”直接觀看到人體各個器官的組織和運行情況。這是人類關于納米機器人最早的猜想。

事實上，隨著人工智能、生命醫(yī)學、納米科學等技術的發(fā)展、合作和融合，促使了機器人在疾病預防、診斷和治療應用上也綻放出不一樣的火花，尤其是微型納米機器人，近年來在生命醫(yī)學領域發(fā)展十分迅速，且應用廣闊。科學家們研發(fā)的小型、多功能化機器人只有幾微米的尺寸，甚至于更小。這些微型納米機器人可以穿過復雜的生物結(jié)構或者狹窄的毛細血管，進行局部診斷、成像、運載活檢樣本、靶向釋放藥物等操作。不僅如此，有些微型納米機器人由生物相容性材料構成，甚至可以完成任務后在人體內(nèi)逐漸降解、消失。

試想一下，或許不久的將來，當您感冒時，不用再打針吃藥，醫(yī)生只需在你血液里植入納米機器人，機器人在體內(nèi)探測出病毒源頭，并到達病毒所在處“消滅”它……

人類的體內(nèi)醫(yī)生

“納米機器人”的概念是由諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼提出的，他認為，人類未來有可能建造一種分子大小的微型機器，可以把分子甚至單個原子作為建筑構件，在非常細小的空間里構建物質(zhì)。

“極限環(huán)境，是納米機器人‘施展才華最重要的舞臺，其中就包括在人體內(nèi)部精密組織中的定點藥物投送、靶向治療，以及在強酸、強堿、輻射、有毒環(huán)境下的高危作業(yè)等。”智能專家介紹，納米機器人是高度集成的系統(tǒng)，要求具備驅(qū)動單元、控制單元、傳感單元，同時針對不同功能需要具備對應的工作單元，如靶向治療時需要的藥物儲存和投送單元等。從現(xiàn)階段來講，受工業(yè)水平限制，納米機器人在驅(qū)動、控制、傳感反饋等方面都存在研究瓶頸。“盡管如此，納米機器人無疑是納米生物醫(yī)學中最具誘惑力的內(nèi)容。近年來，國際國內(nèi)也取得了很多研究成果。”

2012年7月，美國佛羅里達大學的科學家研制出一種能夠100%地殺滅丙肝病毒的納米機器人。2013年12月，韓國全南大學的科學家研發(fā)出可對大腸癌、乳腺癌、胃癌和肝癌等高發(fā)性癌癥進行診斷和治療的納米機器人。2014年4月，以色列巴伊蘭大學的研究人員成功地用DNA鏈造出了一種能在活動物體內(nèi)按照編制的程序執(zhí)行邏輯操作的醫(yī)用納米機器人。2016年7月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的科學家研發(fā)出可將藥物投遞到特定位置或者進行精準操作的納米機器人……

“讓納米機器人進入人體進行血管探測、去除癌變細胞、進行定點給藥，一直是科學家們研究的重點。”專家指出，按照科學家的設想，醫(yī)生只需將載有數(shù)以萬計的納米機器人的藥液注入病人的血管，有導航作用的納米機器人會沿路線到達指定位置，然后開展手術作業(yè)。完成治療后，它們再沿著人體的消化道排出體外。“這種治療對人體沒有損傷，沒有傳統(tǒng)手術后的疤痕，副作用很小。若能實現(xiàn)，將是醫(yī)學史上里程碑式的巨作。”

納米機器人的廣闊舞臺

納米技術在醫(yī)學領域的任何一項運用，都將引起一次醫(yī)療革命，甚至可以改變?nèi)祟惖纳Ｄ敲矗{米機器人在醫(yī)療上應用有哪些？

因?qū)崿F(xiàn)藥物的靶向運輸現(xiàn)有的納米機器人實現(xiàn)藥物運輸依賴于體循環(huán)，缺少定點運輸、組織滲透等驅(qū)動和導航能力。為了實現(xiàn)藥物在疾病部位的精準釋放，藥物運輸機器人需要具備強大的驅(qū)動力、導航系統(tǒng)、藥物釋放和組織滲透的能力，科學家們對其充滿期待。

很多初步研究已經(jīng)很好地在體外、試管中展示了納米機器人在藥物運輸上的潛能，例如多層管狀聚合納米機器人被證實可以通過多孔膜逐層裝載抗癌藥物阿霉素，且可以到達癌細胞附近。不少用于藥物運輸?shù)奈⑿?納米機器人正處于研發(fā)早期，其中細胞內(nèi)運輸是該領域的熱門研究方向。納米機器人能夠穿透細胞膜，并直接運輸各種治療藥物進入細胞內(nèi)部。

因?qū)崿F(xiàn)手術的精準操作手術機器人已經(jīng)展現(xiàn)出減少復雜外科手術風險、拓寬外科醫(yī)生能力的優(yōu)勢，這類機器人有望協(xié)助醫(yī)生實現(xiàn)更高精度、更靈活和可控性的微創(chuàng)手術。與大型器械不同的是，微型機器人配備有高分辨率三維內(nèi)鏡，可以在患者體內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動，有望突破傳統(tǒng)外科手術的局限，將微創(chuàng)技術更廣泛地應用于復雜的外科手術。

此外，磁驅(qū)動微型納米機器人在體內(nèi)微創(chuàng)手術領域也展現(xiàn)出很大的應用前景，因為磁場可以穿透較厚的生物組織。科學家們已經(jīng)證實，植入式磁驅(qū)動微型機器人可以在兔子的眼后段進行手術。

因?qū)崿F(xiàn)疾病的精準診斷得益于自主的運動性能、簡單的表面功能化以及高效捕獲、分離目標物的優(yōu)勢，微型納米機器人在疾病精準診斷上同樣也發(fā)揮著很大的作用。微型納米級傳感策略依賴于人工馬達的能動性，借助于攜帶不同的生物受體，機器人能夠穿過樣本實現(xiàn)與特定生物分子的即時互作。借助這一原理，納米機器人可以識別、隔離體液中的靶向分子，包括蛋白質(zhì)、核酸、癌細胞等等。

因?qū)崿F(xiàn)解毒類似于生物傳感，解毒功能依賴于納米機器人快速捕獲、清除毒素。通過包裹上特定的材料，機器人可以在體內(nèi)“巡邏”并“抓捕”有毒物質(zhì)。這類機器人的工作原理類似于天然清理毒素的細胞，例如血紅細胞（RBCs）。已有科學團隊研發(fā)出攜帶有包裹了RBC細胞膜的鎂微粒的機器人，研究表明它能夠有效吸收、中和體液中的α-毒素。此外，也有研究團隊將紅細胞膜與超聲驅(qū)動的納米機器人整合在一起，用于清除血液中的成孔毒素。

未來大有用武之地

過去十多年，微型納米機器人從一個未知、多功能平臺發(fā)展至集成納米技術、人工智能等優(yōu)點的技術。從藥物運輸、精準手術到細胞水平靈敏檢測生物分子、高效清除有毒化合物，這意味著納米機器人有望貫穿疾病診療、預防的全過程。

當然，目前微型納米機器人在醫(yī)療領域的應用還處于起步階段。發(fā)揮微小機器人的全部潛能面臨很多未知和挑戰(zhàn)。其中，一個重大挑戰(zhàn)是篩選到新能源，它需要具備長期自主操作、較好的生物相容性等特性。雖然不同的化學反應和外部刺激可以驅(qū)動微小機器人的運動，但是新的替代燃料和驅(qū)動機制很有必要，它們有望確保機器人在體內(nèi)更安全、持續(xù)地運行。

未來，微型機器人無疑會朝著更加智能的方向發(fā)展，具備高流行性、可變形結(jié)構、可持續(xù)操作、精準控制等可能，機器人之間還有望實現(xiàn)集群智能合作，甚至于自我進化、自我復制。在此，我們也將拭目以待！