納米機器人的現狀與發展

張楚熙

摘要 機器人是一種可編程的、能執行某些操作或移動動作的自動控制機械。隨著電子技術、計算機技術和控制技術等的快速發展，近二十多年來，機器人開始被廣泛應用于軍事、航天、工業、農業和醫學等領域，發揮著越來越重要的作用。

【關鍵詞】納米機器人 基本結構 研究

1 納米機器人綜述

近幾年來，隨著相關技術與設備的突飛猛進，微納領域科學與技術的研究非常活躍，使得相關電子器件不斷小型化，并推動了微機電系統（MEMS）領域的迅速發展，從而大大促進了醫用機器人的微型化，精密化，為實現可以在人體內部環境下工作的微型機器人莫定了基礎。

簡單地來講，納米機器人就是納米級或分子級可控的機器，由納米部件組成，通過發揮自身在尺寸上的優勢，實現特定的功能。盡管由于在規模和材料上的差異，納米機器人的原理與構成和宏觀機器人有著諸多差異，但二者在設計和控制技術上卻有著許多相似之處，包括具有類似功能的傳感器、驅動器，以及為提高工作精度所采取的閉環控制策略。因此，在納米機器人的研究過程中，我們可以利用宏觀機器人的相關知識進行設計與分析。

2 納米機器人的基本結構

隨著納米科技的發展以及在制造，計算，傳感器以及控制技術上的新技術新方法的不斷涌現，納米機器人的制造和控制已經成為了可能。考慮到未來納米機器人所工作的主要環境（人體內）的復雜狀況，納米機器人的制造需要借助于超大規模集成電路（VLSI）以及納米科技上的最先進技術，在納米機器人內部的微小結構中實現包含數據上傳輸接收、傳感器以及能源供給等多種功能的集成電路。集成后的納米電子電路可以實現數字與模擬信號的讀取與處理，并實現與其他機器人及外界控制裝置的通訊。

下面，我們將從幾個方面，介紹一下納米機器人的各個組成部分，以及各部分功能的實現原理。

2.1 VLSI及納米電子電路

納米機器人的核心之一無疑是其內部的納米級電路。近年來，隨著納米電子領域的進步，相關的電路工作和數據傳輸的能耗下降了60%，使得一直以來困擾納米電子器件得到了一定程度的緩解，從而為納米電路的大規模應用鋪平了道路。

2.2 化學傳感器

對用于疾病檢測領域的納米機器人來說，實現對人體內部某些特定結構的生物大分子的檢測是十分重要的。這可以幫助醫生在疾病的早期階段就確診疾病，從而有針對性地制定治療方案，顯著提升疾病的治愈率。而用于生物大分子探測的納米化學傳感器可以有效實現這一功能。

2.3 溫度傳感器

在病人的體內組織發生病變時，病變部位的溫度會發生顯著的變化，因此，基于納米電路的溫度傳感器在人體內部環境的溫度檢測中有著潛在的應用。配備了溫度傳感器的納米機器人可以為識別確定患病部位，并為藥物的精準運輸提供指引。

2.4 驅動器

根據應用場合的不同，納米機器人的驅動器大致可以分為以下幾種：電磁式、壓電式、靜電式和熱電式。而隨著生物技術的發展，基于仿生學原理的鞭毛狀驅動器和ATP驅動的生物分子馬達也被認為有著一定的應用價值。近年來，分子級別驅動器（“分子馬達”）的研究領域有了突破性的進展，在這一領域作出突出貢獻的三位科學家也因此獲得了2016年度的諾貝爾化學獎。

近年來，在人工組裝的分子機械領域已取得了較大的進步。人們已經可以較為精確地將分子放置到指定的位置，并利用原子之間的化學鍵執行旋轉等一系列運動。但由于我們對于分子機械工作原理的了解還十分有限，在分子機械的力學和運動特征上的研究還處在入門階段，還沒有能夠實現對分子機械的定量分析，并實現設計可以執行準確動作的分子機械。

2.5 供能裝置

對于一個在人體內部執行復雜任務的醫用納米機器人來說，為實現在人體內部長時間高效率的運轉，就需要一個清潔可控并能連續運行的能源供給裝置。由于納米機器人內部的空間有限，且納米機器人的運行環境較為特殊，因此需要外界電源通過無線供電手段進行小功率連續供電。

2.6 數據傳輸

在深入人體的納米機器人上植入微型傳感器可以感知病人的環境的細微變化，為制定更加有效的治療方案提供保證。但有一個問題也隨之而來，那就是如何與人體內部的納米機器人建立通訊，得到體內傳感器所接收到的信號。如果需要將納米機器人移出體外進行讀取，不僅會造成不必要的拖延，貽誤治療時機，同時還需要在機器人上安裝數據存儲裝置，壓縮其內部本就有限的空間。因此，在機器人上安裝數據傳輸裝置，實現隨時隨地的數據讀取和接收，就成了自然而然的選擇。

3 納米機器人的應用

由于納米機器人的獨特功能，使得它深入到人體內，為病人提供全新的治療方案。因此，將納米機器人應用到治療領域被認為是醫學發展歷史上的一次重大進步。近年來，在生物分子計算和納米電子領域的進步，為納米級別處理器的出現提供了基礎。而在其他方面，納米級別的生物與化學傳感器，以及納米機器人的動力系統的研究，也在近年來取得了一定進步。由于納米機器人自身的微小尺寸，這項技術被認為在如下幾個方面具有廣闊的應用前景，一是通過識別人體內部的一些化學信號的變化，在一些重大疾病的早期階段進行診斷，并在病情惡化之前提供更加有效的治療方案，從以較低的治療成本根除相應的疾病;或是利用自身的微小尺寸，深入到患者體內，進行微創手術或是將藥物分子或免疫細胞傳送到指定位置，以輔助治療與免疫過程的進行。納米機器人在這兩方面的應用，可以為患者提供更加個性化的治療方案，并利用自身的微小尺寸深入到細胞內部，幫助醫學研究者從分子層面上實現對疾病的認識。下面，我們將從幾個方面簡要談一談納米機器人在醫學領域的應用前景。

3.1 納米牙醫學

傳統的牙科治療過程往往需要在患者的病上進行修補，或是直接將其替換為假牙，整個過程不僅痛苦，而且修復后的牙齒與天然牙齒在材料上存在一定的差異，對整體的美觀度有著一定的負面影響。而納米機器人可以在不產生痛覺的情況下對牙齒組織進行修補，或調整牙齒的不規則排列，并在治療過程中提升牙齒的耐久性，因此在牙科領域有著廣闊的應用前景。在納米牙醫學技術中，納米機器人可以通過分子級別的物質組裝，更換包括外部的牙釉質以及內部的細胞組織在內的牙齒各部分組織，甚至在此基礎上實現對于整個牙齒的更換。

3.2 基因療法

納米機器人自身微小的結構特征是它得天獨厚的優勢，使它可以深入到細胞內部，實現對細胞內生物大分子結構特征的檢測和修飾。這為深入患者細胞核內部，直接修改患病基因的基因療法的實現奠定了基礎。

3.3 體內運輸

由于納米機器人自身的特殊性質以及微小尺寸，它在藥物運輸領域擁有巨大潛力，被認為能實現將藥物分子直接通過循環系統運輸到患病組織的功能。這在減少用藥量、提高治療效率的同時，也能夠減少藥物的毒副作用以及隨之而來的對健康細胞的損害，這被認為在癌癥的化學療法中有著廣闊的發展前景。

3.4 疾病檢測

深入人體各關鍵部位，對化學信號的變化進行監測，是納米機器人在醫療領域的另一項重要應用。隨血液系統在人體內部循環的納米機器人可以在不抽血的情況下被用于檢測糖尿病人體內的血糖濃度，或是檢測某些關鍵化學物質的細微變化，及早發現某些重大疾病的先兆。

4 納米機器人領域前沿科技

作為一個尚處于發展階段初期的領域，在納米機器人領域中的研究中仍然有許多的工作有待完成。但與宏觀的機器人相類似，作為一個多學科交叉的研究領域，在相關學科包括計算機科學、電子科學和納米科學等領域中的進步，同樣會推動在納米機器人領域的進步。下面，我們將選擇深度學習與微納探測和加工技術兩個方面.來談一談現階段在納米機器人領域的研究進展。

4.1 深度學習在納米傳感器中的應用

由于納米機器人的微小尺寸所限，安裝在納米機器人上的傳感器通常只能檢測單個分子量級的信號，同時由于傳感器的工作環境通常是密度較高的液體環境，因此在檢測過程中將會產生規模龐大的數據流。這些數據流通常是將化學信號轉化為電流、電導率等參數的變化，是一個一維隨時間變化的信號。通常認為對這一類數據的分析是很有難度的，這不僅是因為數據量的龐大，同時也因為我們對于所處理信號的特征的了解程度有限，缺乏可供識別提取的明顯特征，而工作在液體環境中的化學傳感器需要接受大量噪聲信號，輸出得到的信噪比較低，因此在信號處理過程中，我們通常需要借助一些特殊的數據處理方法，以提取得到有用信息，用于之后進一步的應用。

4.2 微納測量加工設備在納米級別自動化裝配領域中的應用

前文中我們已經提到，在納米機器人的研究過程中，由于我們在納米電子器件設計等領域仍然存在著諸多的障礙，距離完全由人工制造的納米機器人的問世仍有待時日。但現在，人們已經可以借助一些微納測量和加工設備，包括原子力顯微鏡（AFM）、掃描隧道顯微鏡（STM）等一窺納米世界的奧秘，制造一些納米尺度的復雜器件，這無疑為納米機器人的最終實現打下了堅實的基礎。

制造納米級別的器件通常有如下三條途徑：從上往下型，包括電子束刻蝕以及光刻蝕;從下往上型，包括自我組裝和化學合成，通過物理定律的作用將勢能降到最低。這些技術可以直接通過組裝分子原子得到所需要的器件，但在目前，將原子放置到指定位置以調整器件性能的工作無疑是非常困難的。而最后一條途徑，即納米級別的自動化控制，可以為納米級別的元器件組裝提供精準的定位和靈活的控制，因此被認為是納米器件制造中最有希望的途徑，同時也是近年來相關領域的研究熱點之一。

第一種被用于納米裝配的器件是掃描隧道顯微鏡（STM），它可以讓人們以高分辨率觀察和定位單個原子，但由于它自身的工作原理所限，在使用過程中要求探針和被加工物體均為導體，因此無法滿足大多數場合中的需要;原子力顯微鏡（AFM）是一種可以實現亞納米級別圖像顯示和操作的工具，同時也可以完成對不同環境和不同材料的加工，用途更為廣泛。但這一工具存在一個缺陷，就是在現階段完成一次AFM的掃描過程至少需要消耗數分鐘的時間，無法實現對于操作區域的實時顯示。而這種“一動一掃描”的工作方式，無疑將極大地延長加工時間，從而限制了AFM微納加工方法的適用范圍。穿透式電子顯微鏡（TEM）則是通過發射高能電子束穿透樣品來實現亞納米級別的探測，但這一方法只能用于加工具有特定屬性的樣品，同時TEM內部有限的空間也將限制其加工復雜納米形狀的能力。而掃描電子顯微鏡（SEM）在納米加工領域兼具了以上諸多設備的優點，并克服了其他設備的一些缺點，能夠實時顯示加工部位的圖像，同時能夠不受限制地加工復雜形狀。因此，SEM技術被認為是在納米級別裝配中最有應用前景的技術。

5 納米機器人的潛在危害

與任何一種技術一樣，納米機器人在為人們的生活帶來巨大方便的同時，也為人類文明帶來了一些潛在的挑戰。由于自身龐大的數量和控制的復雜性，納米機器人始終是一些科幻電影的常客。在一些災難題材的科幻電影中，由失控的自我復制納米機器人所構成的“灰霧”，是一種具有毀滅世界能力的武器。但電影終究是電影，除去一些科幻色彩濃厚的猜想，我們在下面將著重論述一下納米機器人所可能帶來的健康風險。

在納米機器人技術的應用過程中，最突出的風險是用于制造納米機器人的納米顆粒的安全性問題。由于納米材料的微小尺度所限，在當前實驗條件下，我們無法想對宏觀物質那樣，對納米材料的各方面性能進行測試。由于對所使用的納米材料缺乏全面的了解，在納米機器人制造過程中所使用的一些納米材料可能會存在著潛在的毒性，危害人們的身體健康。某些納米顆粒的毒性已經得到了一些研究團隊的證明，并受到的科學家們特別關注。

納米顆粒可以由一系列的材料制成，包括過渡金屬、硅、碳、金屬氧化物等。一般來說，納米顆粒最可能進入人體的方式是通過呼吸道吸入直接進入肺部，另一種方法就是通過接觸納米顆粒，使之通過皮膚細胞進入人體。此外，通過消化道或其他方式進入人體，也是攝入納米顆粒的一種可能方式。雖然人體對于納米顆粒的進入設置了復雜的障礙，但考慮到隨著納米科技廣泛應用所帶來的大量無處不在的納米顆粒，納米顆粒會以不加區分的方式隨意地暴露在自然環境中，我們無法確保有能力完全將納米顆粒排除在人體以外，而一旦進入人體內，納米顆粒就可能回味人體帶來多種潛在的危害。運用納米毒理學知識可以幫助我們對納米顆粒毒性的研究，并幫助我們更好地提升處理納米顆粒時的安全性。

在納米顆粒的眾多潛在危害中，最主要的一種就是納米顆粒的不可溶解性。一些研究已經顯示了人體內的納米顆粒可以不受阻礙地進入到人體的健康細胞中，甚至可以通過血液循環系統進入到大腦中，并干擾健康細胞和組織的正常工作。這方面的風險對于那些需要在工作過程中接觸納米顆粒的人員來說最為嚴峻。因此，我們需要為這些工作人員提供相應的保護措施。

6 總結

本文從納米機器人的結構、發展現狀、應用前景和潛在問題等方面，對當前的納米機器人研究領域進行了一個簡要的概括，并在研究過程中對相關部分在功能實現中所使用的不同方法進行了列舉和比較。作為一個尚處于發展階段初期的領域，與納米機器人領域相關的研究始終是國內外相關高校和科研院所所研究的熱點，在近年來也多有重大成果出現。

參考文獻

[1]杜文龍，劉建民，納米機器人時代即將到來[J].科技導報，2014 （Zl）.

[2]平朝霞，納米機器人的研究進展[J]，新材料產業，2012 （12）.