纳米机器人的研究进展如何？

　　有时候能看到一些纳米机器人治疗疾病的新闻，这些新闻到底是真的还是假的？目前纳米机器人在医疗领域有没确实用纳米机器人治好的病，未来依靠纳米机器人是否所有的病毒细菌感染。

　　

　　文章理解思维导图

　　摘要：纳米机器人的研发开发已经成为当今全球关注的热点之一，开展对纳米机器人的研究，将会推动精密医学的发展，为医疗方法的创新提供了新思路，并且纳米机器人对军事、环保、工业、航天等领域也有巨大潜力。本文综述纳米机器人近些年国内外的研究进展，指出制约纳米机器人发展与推广的问题，并对纳米机器人的发展前景进行展望。

　　关键词：纳米机器人；生物医学应用；研究现状；发展前景

　　1.引言

　　纳米技术的发展，推动了纳米机器人的发展，纳米机器人基本结构包括VLSI及纳米电子电路、化学传感器、温度传感器、驱动器、供能装置、数据传输装置等先进技术。在生物医学中的用途广泛，能够通过装载药物颗粒、生物试剂和活细胞等来实现精准的货物输送；也可作为一种小尺寸的手术工具用于外科手术，治疗疾病等。在军事上纳米机器人不仅可用于进攻，还能用于防御，而且防御的效能要远远强于其进攻效能。纳米机器人开展对纳米机器人的研究与推广应用，将会极大地改变传统生物医学的治疗疾病的方式，有利于促进生物医疗产业的发展，对提高人类寿命方面有很大潜力，并且在其他领域也有很大潜能。本文主要简要概述了纳米机器人在生物医学、军事、工业、环保等领域的研究方向与进展，以及纳米机器人的发展前景。

　　2.纳米机器人研究进展

　　2.1 纳米机器人制造、驱动与降解的研究进展

　　制造、驱动和降解是纳米机器人应用的基础。在纳米尺度内，微型机器人的运动受低雷诺数和布朗运动两种因素的影响，它的运动必须考虑环境效应，因此设计纳米机器人主要是使其能够产生连续不断的运动，并要求其具有足够的动力来克服环境的阻力。可以使用催化材料制造微型机器人，并在 H2O2 中利用催化反应产生气泡的方法推进其定向运动；赋予有螺旋结构的微型机器人磁性，利用磁场引起螺旋自身的旋转，进而推动螺旋的直线运动；对于具有不对称结构的微/纳米机器人，可以施加超声波产生压力梯度来推动它们运动。纳米机器人的无毒降解对生物体和环境而言都十分重要。

　　2.1.1纳米机器人的制造

　　自组装是一种常用的纳米机器人制作方式。对于一些结构和功能较复杂的纳米机器人来说，往往采取3D打印技术，但这种技术的缺点在于设备比较昂贵。具有管状结构的纳米机器人常采用自卷曲技术。在模板上使用薄膜涂层产生不对称结构的方法也已经被用于纳米机器人的制造。

　　

　　图 1 不同类型的微纳米机器人

　　2.1.2 纳米机器人的驱动

　　纳米机器人既可以单独运动又可以集群运动。其驱动方式很大程度上会影响其运动速度、受控难易程度和生物相容性等，进而影响它们在生物系统中的应用。纳米机器人的驱动方式主要包括：由局部化学、生物化学能量(如H2O2、尿素等)驱动的化学驱动方式，由外部场(如光、超声波或磁场等)驱动的物理场驱动方式和由微生物或细胞(如精子等)驱动的生物驱动方式。

　　

　　图 2 以葡萄糖为燃料的可定向驱动纳米鱼

　　2.1.3 纳米机器人的降解

　　利用可生物降解的聚合物来制造微型机器人，结合激光直写控制形状；利用水溶性聚合物聚乙烯醇等，能够快速并大规模生产许多已经含有药物的可生物降解的微型机器人；将明胶、壳聚糖等天然聚合物与磁性纳米颗粒共同使用制造的磁性靶向生物可降解微型机器人，可以在适当的磁场作用下达到靶向缺陷位点，并在微型机器人降解后释放细胞。

　　

　　图 3 对酸碱度响应的可降解纳米鱼

　　2.2 纳米机器人的应用方面的研究进展

　　2.2.1纳米机器人在生物医药领域上的应用

　　2.2.1.1 用于疾病诊断和健康监测的移动式原位传感

　　纳米机器人作为一种可植入的移动传感器，可以追踪显示目标生化标记物，从而动态监测患者健康状况，对疾病进行早期诊断。例如，Sarath 等提出了一种模拟的医用微纳米机器人模型，可以通过其机载的化学传感器检测体内的血糖水平，如果患者的血糖值达到临界水平，微纳米机器人就会通过无线电信号向患者的手机发出警报，提醒患者是否需要注射胰岛素或采取进一步的措施。

　　2.2.1.2 靶向治疗

　　移动微纳米机器人作为靶向治疗的工具，现已用于胃肠道、血管等组织的靶向给药。现已有许多初步研究证明，微纳米机器人在试管和体外环境中具备递送功能。Hortelao 等报道了尿素酶修饰的纳米机器人，该纳米机器人由介孔二氧化硅壳组成，能够装载抗癌药物到达指定地点后释放，从而做到高效给药。新型纳米机器人在多级磁性“镊子”的操控下，可以实现在活体细胞中精准活动。如图二所示。

　　

　　图 4 新型纳米机器人

　　2.2.1.3 外科微创

　　微纳米机器人另一个医疗用途是在体内进行微创手术。Chatzipirpiridis 等在活兔眼中进行实验，证明植入式磁性管状微纳米机器人能在眼睛的后段进行手术操作。

　　2.2.1.4 医学成像

　　医疗微/纳米机器人在临床中的一个关键应用是依靠个体或群体进行监测。它们可以容易地在体内定位和引导，甚至发送信号以诱导触发释放，因此在医学成像方面的潜力也不可忽视。例如，利用光学相干断层扫描成像在小鼠静脉中监测微型机器人的实时位置，反馈微型机器人在体内的运动。与以往的成像方法相比，光学相干断层扫描成像方法在实时成像、与梯度磁操纵系统的兼容性好、高成像分辨率和对身体的伤害小等方面显示出令人满意的效果。

　　2.2.1.5 递送细胞

　　运用纳米机器人将活细胞直接输送到目标区域可以提高它们的保留率和存活率。针对有些精子细胞因缺陷活动力低或无法移动，Medina-Sánchez 等设计了金属涂层-聚合物微螺旋机器人来运输运动障碍的精子细胞，以帮助它们实现自然受精的功能，该过程如图 5所示。

　　

　　图 5 纳米机器人协助精子受精过程

　　2.2.2纳米机器人在军事领域上的应用

　　世界各国的军备竞赛已经延伸到了纳米领域，各国都在探索利用纳米技术进行军事装备的升级与改造。多国已经开展了有关纳米机器人在军事应用的探索，主要体现在以下几个方面：(1)用于传统的武器中纳米机器人用于传统的武器技术装备，能够改善装备材料、工艺、控制系统、制导系统、运输和储存方式，提高传统武器技术装备的技术性能，使作战装备的杀伤效能得到有效提高。（2）用于开发断的人体作手役和方式特殊的纳米微型组件能够堵住人体某个部位（如脸、鼻、口，眼）或粘住手、脚等。利用其这一特性，可以限制敌军的活动。（3）研制纳米武器是纳米机器人在军事应用上的另一个研究热点，如果将具有纳米武器注人到人造或杂交的昆虫体内，昆虫便将这些纳米武器传播到敌国军民的身体中，造成巨大的杀伤力。同时，纳米机器人还可通过自我复制或自我繁殖的方法迅速在敌方阵营中扩散。随着纳米武器的诞生和大量运用，传统的作战方式不断更新，纳米技术水平的高低对战争的胜负影响越来越大。（4）通过仿生学技术赋予纳米机器人昆虫、鸟类等小型动物的能力或多物种混合能力，不仅充当侦察与情报收集工具，而且可以作为防不胜防的进攻利器。

　　2.2.3纳米机器人在环保领域上的应用

　　在环保领域，治污防污纳米机器人将被大批量投放到污染环境中，通过传感器和设定的清洁程序分解污染源，有效解决水、气污染问题。

　　2.2.4纳米机器人在工业领域上的应用

　　在工业领域，纳米机器人被用于制作微米级以及纳米级芯片，从而减少电子产品的体积，不仅使电子产品变得更微小，而且由于新材料的应用使产品具备自愈或者自修复功能。让人窥见未来类人机器人的巨大可能性。

　　3.发展建议

　　第一，仿生微纳米机器人应该是多功能的。受微纳米尺寸的限制，将多个功能（即驱动、感知、评估和智能）集成到一个机器人中是一个很大的挑战。在实际应用中，为了掌握机器人的实时位置和病变的治疗结果，防止微纳米机器人与外部控件失去联系，不仅要结合信号感知、采集、处理和传输，还需要改进反馈机制。

　　第二，仿生微纳米机器人需要新的能量转换机制、更强大的无线驱动和控制方法以及更合理的制造技术。现有的驱动方法在以上所有方面都存在缺陷，例如，磁性驱动器需要使用外部磁场，电场驱动器需要外部电极，光驱动器需要光来穿透组织。此外，大多数现有方法只能控制微纳米机器人在二维平面中移动，无法实现 3D 平面上的控制。在能源供应方面，许多微纳米机器人都由腐蚀性化学燃料驱动，这为机器人在体内使用带来了难题。

　　第三，仿生微纳米机器人需要新型的材料，而生物合成机器人因具有生物活性组件的优点备受关注。一些活的微生物可以直接用于组装微纳米机器人，充当这种类型机器人的传感或驱动元件。但是，如果使用这种机器人，需提供营养、特定气体以及合适的湿度。因此，需要研究一些具有更好环境适应性的新型材料。

　　第四，对仿生微纳米机器人的精确集群控制值得进一步研究。面对复杂的任务，单个微纳米机器人不能同时位于两个地方，如何对集群中的微纳米机器人进行同步或独立控制值得我们思考。理想的集群控制策略应包括集群中每个机器人的明确分工和机器人之间的信息交换，以便所有机器人有序地协同工作，从而完成任务。

　　4 前景展望

　　新科技是把双刃剑：有益的科技行为可以造福人类；反之，则为祸。纳米机器人也不例外。因此，美、英、德、以、日等国都着手从伦理、法律和社会的角度来研究纳米机器人的风险和安全性问题。如何让纳米机器人这把双刃剑有利于人类的一面更加锐利，而使其消极的一面对人类的伤害逐渐减少，这是需要深入思考的问题。关于纳米机器人未来发展前景，中国著名学者周海中在“论机器人”（1991年获第6 届国际机器人学优秀论文奖）一文中预言：到21 世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的工作和生活方式。美国著名学者James Canton 也预言：到了21 世纪下半叶，将人同计算机绝对而清楚地区分开来将变得毫无意义。一方面，人类将拥有经过纳米机器人技术大大扩展了的生物大脑；另一方面，人们将拥有纯粹的非生物大脑，它是功能大大增强了的人类大脑的复制品。毫无疑问，有了经过功能改善的大脑，我们将创造出无数与纳米机器人技术相融合的更新技术。届时，人类将进入一个崭新的时代——纳米机器人时代，成为地道的“新人类”。

　　5 参考文献