納米機器人分析

納米機器人分析右圖是英國畫師AdamBaines的科幻作品一、納米機器人的構(gòu)想“納米機器人”的研制屬于分子仿生學(xué)的范疇，它根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計原型，設(shè)計制造可對納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”。納米生物學(xué)的近期設(shè)想，是在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。合成生物學(xué)對細(xì)胞信號傳導(dǎo)與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計，開發(fā)“在體”（in

vivo）或“濕”的生物計算機或細(xì)胞機器人，從而產(chǎn)生了另種方式的納米機器人技術(shù)。

二、納米機器人的應(yīng)用用納米機器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是應(yīng)用于醫(yī)療和軍事領(lǐng)域。應(yīng)用之一：醫(yī)用納米機器人第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體。這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查和疾病治療。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進(jìn)行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?/p>

2010年5月，美國哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家成功研制出一種由脫氧核糖核酸(DNA)分子構(gòu)成的納米蜘蛛機器人。它們能夠跟隨DNA的運行軌跡自由地行走、移動、轉(zhuǎn)向以及停止，并且能夠自由地在二維物體的表面行走。這種納米蜘蛛機器人只有4納米長(一納米為一米的十億分之一)，比人類頭發(fā)直徑的十萬分之一還小。

科研人員研發(fā)出一種微型納米粒子，可以通過患者的血流進(jìn)入腫瘤，然后釋放出藥物，關(guān)掉一種非常重要的癌癥基因。這項研究成果已經(jīng)發(fā)表在《自然》雜志上。以色列科學(xué)家目前正在研制一種微型納米機器人。它可以在人體內(nèi)“巡邏”，在鎖定病癥后自動釋放所攜帶的藥物。這種技術(shù)的原理是：在編程過程中將某種特定疾病定義為“是”狀態(tài)?！把策墶边^程中，機器人可執(zhí)行一系列計算，檢查所在位置處信使核糖核酸(mRNA)上的疾病指標(biāo)，如果某種特定疾病的所有指標(biāo)都滿足，機器人就會做出應(yīng)該釋放藥物的判斷；如果檢測到的指標(biāo)并不充分，它最后會位于“否”的狀態(tài)。其他應(yīng)用舉例：直接前往感染部位，提供小劑量卻有效的藥物治療，相應(yīng)減少藥物的副作用。攜帶小型超聲波信號發(fā)生器治療腎結(jié)石。在人血中放入納米巡航工具，能自動尋找沉積于靜脈血管壁上的膽固醇，然后將它們一一分解。將由硅晶片制成的存儲器（ROM）微型設(shè)備植入大腦中，與神經(jīng)通路相連，可用以治療帕金森氏癥或其他神經(jīng)性疾病。應(yīng)用之二：軍用納米機器人首先，將納米機器人應(yīng)用到傳統(tǒng)的武器技術(shù)裝備中去，通過改善其制造材料、制作工藝、指控系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、運輸和儲存方式，提高傳統(tǒng)武器技術(shù)裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，加強傳統(tǒng)作戰(zhàn)手段的殺傷效能。其次，開發(fā)新的人體作戰(zhàn)手段和作戰(zhàn)方式，比如研發(fā)出能堵住人臉、鼻、口、眼的納米微型組件，或能粘住手、腳的納米微型組件等等。再次，對現(xiàn)有的化學(xué)和生物體進(jìn)行改造或研發(fā)出新型的化學(xué)或生物體，并將其注入到人造或雜交的昆蟲體內(nèi)，通過昆蟲將這些帶有殺傷性的化學(xué)或生物體傳播到敵國軍民的身體之中。最后，納米機器人在進(jìn)入敵人身體后，可通過自我復(fù)制或自我繁殖的方法迅速在敵方陣營中擴散。美國國防部先進(jìn)研究項目局(DARPA)與工業(yè)部門正在研制一種會飛的軍用納米機器人。這種納米機器人只有昆蟲大小或鳥類大小；它不容易被發(fā)現(xiàn)，具有致命性、廉價、快速反應(yīng)、持續(xù)作戰(zhàn)、機動性等特點。美國計劃在2015年之前制造出鳥類大小的可以偵察大規(guī)模殺傷武器的納米機器人，在2030年之前制造出昆蟲大小的可以偵察大規(guī)模殺傷性武器的納米機器人。AV公司于2011年7月研制出一種用于偵察的納米蜂鳥機器人。它裝配不少納米級元器件。這款機器人被《時代》周刊評為2011年度五十項最佳發(fā)明之一。

進(jìn)入21世紀(jì)，科技發(fā)展如火如荼，軍事變革風(fēng)起云涌。站在歷史新起點上審視，到底什么科技能夠像核武器一樣，對未來軍事產(chǎn)生革命性的影響？近來國外軍事專家紛紛預(yù)言：納米機器人離我們的戰(zhàn)場并不遙遠(yuǎn),它們在世界范圍不僅將引領(lǐng)一場真正意義的戰(zhàn)爭革命,并將同時推進(jìn)作戰(zhàn)理念、作戰(zhàn)方法的根本改變。三、面臨的難題全自動化或自主化的納米操作機器人機器人化納米操作系統(tǒng)（1）驅(qū)動裝置

壓電陶瓷驅(qū)動器（2）傳感裝置AFM探針等（3）控制系統(tǒng)高精度定位（4）人機（宏觀----微觀）交互裝置與接口

比例放大比例縮小三、面臨的難題為了讓納米機器人具有實用性，需要重點解決三個問題：導(dǎo)航動力移動方式3.33.13.2導(dǎo)航機制導(dǎo)航可以分為外部導(dǎo)航和機載導(dǎo)航。3.1.1外部導(dǎo)航系統(tǒng)：發(fā)送探測信號來定位?？梢允褂煤芏嗖煌姆椒ㄖ甘炯{米機器人到達(dá)正確的位置。其中一種是讓納米機器人發(fā)出超聲波脈沖信號，使用者通過使用帶有超聲波傳感器的特殊設(shè)備來檢測信號，從而跟蹤納米機器人的位置，指引它去往目的地。其他檢測方法也包括放射性染料、X射線、無線電波或熱量等。3.13.1.2機載導(dǎo)航系統(tǒng)：內(nèi)部傳感器。一個帶有化學(xué)傳感器的納米機器人可以探測并根據(jù)特定的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行追蹤，找到目的地。光譜傳感器，能夠從周圍采樣，探知周圍物體發(fā)出的光譜，發(fā)現(xiàn)所要尋找的部位。3.1導(dǎo)航機制3.1.2機載導(dǎo)航系統(tǒng)：內(nèi)部傳感器舉例：納米生物傳感器納米生物傳感器是納米生物機器人獲取信息及進(jìn)行運動控制的重要部件，目前主要研究利用碳納米管、蛋白質(zhì)、色素、硅懸臂等的機械、光學(xué)、化學(xué)、電及生物特性進(jìn)行設(shè)計。

（后邊圖片詳細(xì)）熱激因子(HSF)蛋白在環(huán)境變化時結(jié)合到DNA并使溶液顏色變化，據(jù)此Tufts大學(xué)將蝕刻后充滿寡核苷酸功能化微球的光纖束制成了光學(xué)DNA生物傳感器平臺，進(jìn)行單核苷多態(tài)(SNPs)辨別或者探測病態(tài)的DNA，及監(jiān)測DNA和蛋白質(zhì)的相互作用?；贖SF的納米生物機器人動力系統(tǒng)可以從兩個方面來考慮，一種是小到足以放進(jìn)納米機器人體內(nèi)的電池，另一種是利用核能。將來，納米機器人的動力最有可能是來自外部，從周圍環(huán)境中獲取能量。例如：配置電極直接從血流中獲取能量。攜帶少量化學(xué)物，這些化學(xué)物與血液結(jié)合產(chǎn)生反應(yīng)，就能變成一種燃料。利用“塞貝克效應(yīng)”，體溫溫差產(chǎn)生電壓差。

3.23.2動力系統(tǒng)舉例：納米生物機器人分子馬達(dá)(驅(qū)動器)分子馬達(dá)是納米生物機器人的核心部件，因此成為研究的熱點，按照組成物質(zhì)和運動機理，可以分為基于蛋白質(zhì)、DNA、ATP和鞭毛馬達(dá)的分子馬達(dá)．蛋白質(zhì)分子馬達(dá)病毒蛋白馬達(dá)(利用病毒蛋白在PH值變化時構(gòu)象變化而產(chǎn)生位移)馬達(dá)蛋白馬達(dá)(后邊舉例)(利用馬達(dá)蛋白沿微管運動的特性)Washington大學(xué)的Hess的納米技術(shù)中心，建立了一個基于馬達(dá)蛋白的，具有軌道、貨物碼頭和控制系統(tǒng)的分子火車系統(tǒng)．系統(tǒng)中特殊的馬達(dá)蛋白連接到填滿蛋白的小容器上，并沿著細(xì)胞的骨架傳輸它們．目前該分子火車能夠沿著加工路徑移動貨物，并可以控制kinesin軌道上微管的方向、向微管裝載貨物、用UV引導(dǎo)釋放ATP來開關(guān)分子火車.3.2動力系統(tǒng)舉例：納米生物機器人分子馬達(dá)(驅(qū)動器)分子馬達(dá)是納米生物機器人的核心部件，因此成為研究的熱點，按照組成物質(zhì)和運動機理，可以分為基于蛋白質(zhì)、DNA、ATP和鞭毛馬達(dá)的分子馬達(dá)．3.2.2DNA分子馬達(dá)DNA與蛋白質(zhì)相比結(jié)構(gòu)簡單，具有天然的互補自裝配特性，廣泛用于制造納米機器、關(guān)節(jié)和驅(qū)動器。（后邊舉例）世界上首個雙足納米生物機器人：雙腿由36個DNA堿基對構(gòu)成，通過DNA上的錨定鏈和DNA軌道結(jié)合；非固定鏈DNA片斷使得錨定鏈從軌道上脫落下來，使機器人的雙腳沿著軌道向前尋找下一個結(jié)合錨定鏈，重復(fù)該過程就可以讓機器人沿預(yù)定軌道行走。3.2動力系統(tǒng)舉例：納米生物機器人分子馬達(dá)(驅(qū)動器)分子馬達(dá)是納米生物機器人的核心部件，因此成為研究的熱點，按照組成物質(zhì)和運動機理，可以分為基于蛋白質(zhì)、DNA、ATP和鞭毛馬達(dá)的分子馬達(dá)．3.2.3ATP分子馬達(dá)ATP合成酶位于細(xì)胞的雙分子膜間，利用膜內(nèi)外的離子梯度來驅(qū)動分子馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生生物細(xì)胞賴以維生的能量貨幣ATP(三磷酸腺菅)，若反過來送給它ATP，則ATP合成酶的轉(zhuǎn)子會倒過來旋轉(zhuǎn)，因此可通過控制ATP添加的速度和濃度來控制分子馬達(dá)運轉(zhuǎn)。（后邊舉例）Comell大學(xué)Montemagno小組用特殊的結(jié)合材料涂在轉(zhuǎn)子狀分子上，再讓它與置于溶液中的螺旋槳接合，ATP水解時驅(qū)動螺旋槳以每秒8周的速度旋轉(zhuǎn)，從而擁有了向前的驅(qū)動力。3.2動力系統(tǒng)舉例：納米生物機器人分子馬達(dá)(驅(qū)動器)分子馬達(dá)是納米生物機器人的核心部件，因此成為研究的熱點，按照組成物質(zhì)和運動機理，可以分為基于蛋白質(zhì)、DNA、ATP和鞭毛馬達(dá)的分子馬達(dá)．3.2.4鞭毛馬達(dá)

鞭毛馬達(dá)位于細(xì)胞的包膜上，由10種以上的蛋白質(zhì)群體組成，由相應(yīng)的定子、轉(zhuǎn)子、軸承、萬向接頭等組成。鞭毛馬達(dá)是通過膜內(nèi)外的粒子電化梯度來驅(qū)動的，該力稱為質(zhì)子推動力PMF（ProtonMotiveForce）移動方式移動方式即推進(jìn)系統(tǒng)。科學(xué)家希望從微生物中獲取靈感。如草履蟲可以滑動纖毛在水中活動，細(xì)菌通過舞動鞭毛可以自由移動。納米機器人也可能通過振動膜的交替收縮和擴張來產(chǎn)生微弱的動力，使其移動。3.3

納米機器人執(zhí)行任何任務(wù)包括自身復(fù)制都必須動用大量的納米機器。血液里可能存在數(shù)以百萬計的納米機器人；在每一個有毒廢物地點可能需要數(shù)以萬億計的納米機器人，要制造一輛汽車可能要調(diào)動數(shù)以一百億億計的納米機器人同時工作。然而沒有一個生產(chǎn)線可以生產(chǎn)如此巨大數(shù)量的納米機器人。

但是納米科學(xué)家眼中的納米機器可以做到這點。他們設(shè)計的納米機器人可以完成兩件事情：執(zhí)行它們的主要任務(wù)和制造出它們自身完美的復(fù)制體。如果第一個納米機器人能夠制造出兩個復(fù)制體，這兩個復(fù)制體每個又可制造出兩個自己的復(fù)制體，很快就可以獲得萬億個納米機器人。思考潛在危險：虛擬環(huán)境中的納米生物機器人德國Darmstadt科技大學(xué)的Cavalcanti運用進(jìn)化競爭代理(agent)和遺傳算法(GA)，結(jié)合先進(jìn)圖形仿真技術(shù)進(jìn)行納米機器人的裝配自動化研究。但是，假如納米機器人忘記停止復(fù)制會發(fā)生什么？如果沒有一些內(nèi)建的停止信號，納米機器人忘記停止復(fù)制這種災(zāi)難的可能后果將會是無法計算的。納米機器人在人體內(nèi)快速復(fù)制能夠比癌癥擴散還要快地布滿正常組織；一個發(fā)瘋的制造食物機器人能夠把地球的整個生物圈變成一塊巨大的奶酪。

納米技術(shù)學(xué)家沒有回避危險，但是他們相信他們能控制災(zāi)難的發(fā)生。其中一個辦法是設(shè)計出一種軟件程序使納米機器人在復(fù)制數(shù)代后自我摧毀。另一種辦法是設(shè)計出一種只在特定條件下復(fù)制的機器人，例如只有在有毒化學(xué)物質(zhì)以較高濃度出現(xiàn)時機器人才能復(fù)制，或者在一個很窄的溫度和濕度范圍內(nèi)機器人才能復(fù)制。思考潛在危險：就像電腦病毒的傳播一樣，所有以上這些努力都無法阻止那些不懷好意的人有意釋放某種納米機器人作為害人武器。事實上，一些批評家指出納米技術(shù)可能的危險要大于它的益處。

然而，僅僅這些利益就已經(jīng)太具誘惑力了，納米技術(shù)必將超過電子計算機和基因制藥而成為新世紀(jì)的技術(shù)發(fā)展方向。世界可能會需要一個納米技術(shù)免疫系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中納米機器人警察不斷地在微觀世界中同那些不懷好意的機器人進(jìn)行戰(zhàn)斗。

思考潛在危險：四、前景展望由上述分析可以預(yù)見，納米機器人在未來幾年的發(fā)展將主要涉及如下幾個方面：(1)新功能分子部件及其特性的研究．(