未来的体内纳米机器医生

“纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计，开发“在体”（in vivo）或“湿”的生物计算机或细胞机器人，从而产生了另种方式的纳米机器人技术。

　　产生是与SPM的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的事情。不同于宏观生物学，纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。纳米生物学的加工技术可以向生物细胞学习。

　　纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下3个方面：

　　①在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。

　　②在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。

　　③纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。

　　你持续发烧，但医生既没有给你开药，也没有打针，而是提供了一种特别的医疗方式——往血液里植入一种微小的机器人。这种机器人探测到发烧原因，摇曳着一对尾巴状的附加物，游过了动脉和静脉，运行到适当的系统，直接对感染部位进行治疗。

　　这听起来像是科幻小说。但一个好消息是，可能不久之后，这种新型机器人就能应用于实际的医疗程序中。全球的工程师们正致力于设计这种“纳米机器人”，并最终用于治疗从血友病到癌症的所有疾病。

　　有时候，小比大好

　　1959年，美国加利福尼亚理工学院教授理查德·费曼向全世界的工程师发出了挑战。他寄希望于有人设计出一种超小电动机，能放入边长0.4毫米的立方体中。这样，工程师们能够开发出新的生产方法，用于新兴的纳米机器人领域。

　　翌年，比尔·麦克里兰制造出了合乎规格的发动机，要求获得奖励。虽然麦克里兰并未能设计出新的生产方法，费曼还是奖励了他。

　　挑战是艰巨的。人类的血液循环系统由静脉和动脉构成，极端复杂，一个可行的纳米机器人必须又小又灵活，才能在里面畅通无阻。同时，还要携带药物治疗或微型工具。假设纳米机器人并非永远留在病人体内，它还必须找到出口。

　　在面临的所有问题中，导航机制是科学家们尤为重点考虑的。关于导航的各种研究方案都包含了积极和消极两面，研究者的目光集中在两处：外部系统和机载系统。

　　外部导航系统将纳米机器人定位到正确位置的方法有很多，其中一种是向患者体内发送超声波信号，以检测纳米机器人的位置，并指引它去目的地。其他探测纳米机器人的方法包括放射性染料、X射线、无线电波或热量等。机载系统又叫内部传感器。一个带有化学传感器的纳米机器人可以探测并根据特定的化学品追踪，找到正确的位置；而带有光谱传感器的纳米机器人则能够从周围的组织上采样，对样本进行分析，找到正确组合化学品的方法。

　　引擎何来？

　　和导航系统一样，纳米技术专家们也需要从内外两方面来考虑为机器人提供动力。一些设计使得纳米机器人能够利用患者身体来产生所需动力；另一些则让机器人自带动力发生装置；此外，还有一些设计则选择在患者体外，为机器人提供动力。

　　纳米机器人可以直接从血流获取能量——一个配有电极的纳米机器人利用血液中的电解液就可以变身为一节电池。此外还可以通过化学物和血液的燃烧反应产生能量。纳米机器人可以携带少量化学物，这些化学物与血液结合，就能变成一种燃料。

　　人的体温也可以产生能量，这就是所谓的“塞贝克效应”，但这种方式需要有温差才能实现。将两种不同的电导体在不同的温度下相互连接时，电导体会变成热电偶，这两种物质之间会因温度不同而产生电压差，从而产生能量。但真实情况是，要想在人体内形成温差十分困难，这也只能暂时成为假想。

　　尽管制造一种小到足以放进纳米机器人体内的电池是有可能的，但这种方式也不太被看好。因为电池所能提供的能量和其本身的体积及重量有关，一个很小的电池不足以保证纳米机器人所需的全部能量。另一种选择是利用核能，无疑这种想法让很多人感到不安——虽然这种情况下的核物质所需很少，并且一些专家认为，其安全性容易得到保证，然而，公众对于核能的固有偏见，让这种方式最不可能被采用。

让我们来看看外部功能系统。可以通过一根线，将纳米机器人和外部世界的能量源相连。这根线既要很牢固，又要保证在人体内可以自由移动，且不会对其造成伤害。这种物理意义上的连接线可以通过电能或者光能为机器人提供能量。光学系统利用光纤的光，再转化成机器人内部的电能。

　　如果不使用有形的连接线，则可以利用微波、超声波信号以及磁场。微波最不可行，因为患者的身体会吸收微波，使体温提高，从而损害组织。带有压电膜的纳米机器人可以收集超声波信号，并转换成电流。利用磁场系统，可以或者直接操控纳米机器人，或者以之引导机器人内封闭电路里的电流。

　　在血液中自由驰骋

　　如果纳米机器人不被设定为随血液流动而流动，那么它就需要有一种动力使其在人体中移动。

　　有时，纳米机器人需要逆血液流动方向移动，因此动力系统必须足够强劲，并因其大小而异。另一个必须要考虑的因素是机器人的设计要保证患者安全，移动系统不能给病人造成任何伤害。

　　一些科学家正在研究微生物体系，希望能从中得到灵感。比如大肠杆菌，通过舞动尾巴一样的鞭毛，可以向任意方向自由移动。类似的还有纤毛，靠划动纤毛，草履虫可以在水中自由驰骋。

　　以色列科学家发明了一种微型机器人，只有几毫米大小。这种机器人借助细小的附属肢体在血管中附着和移动。科学家们在病人的体外制造磁场来操控这些附属肢体的动作。磁场能使机器人的肢体振动，并且在血管中运动。

　　科学家们希望这种相对简化的设计能创造出更小的机器人。

　　其他发明听起来更加不可思议。人们可以利用电容器来产生磁场，使导电液体从电磁泵的一头喷射到另一头。这种情况下纳米机器人的移动看起来就像一架喷气式飞机。小型的喷气泵甚至可以利用血浆来移动纳米机器人，当然这种泵和电磁泵不太一样，它必须是可移动的。

　　还有一种纳米机器人移动的方式是通过振动膜。通过膜的交替收缩和扩张，纳米机器人可以产生微弱的动力。对于纳米机器人来说，这种微小的动力已经足够使其移动。

　　未来的体内医生

按照设想，这些通过显微镜才能看到的纳米机器人，将能够治疗很多疾病。

　　虽然只能携带很小剂量的药品或小型设备，但很多医生和工程师认为，精确地使用这些工具将比多数传统治疗方法更加有效。比如，很多人都知道，由于抗生素在病人的血液里流动时会被稀释，只有一部分能到达感染的部位，因此，为提高患者免疫能力，医生需要为患者注射大剂量抗生素，不可避免地带来副作用的困扰。然而，纳米机器人（或一组纳米机器人）可以直接前往感染部位，提供小剂量却有效的药物治疗，相应减少药物的副作用。

　　有些工程师、科学家以及医生认为，纳米机器人的应用有着无限潜力——而其中最有可能的包括：治疗动脉粥样硬化、抗癌、去除血块、清洁伤口、帮助凝血、祛除寄生虫、治疗痛风和粉碎肾结石。以治疗肾结石为例，纳米机器人可以携带小型超声波信号发生器，通过直接发射频率粉碎肾结石。

　　正因此，世界各国的科研小组一直不断致力于研制第一代医用纳米机器人。这些机器人小到直径1毫米，大到长2厘米，但目前都处于试验阶段。未来几年内，纳米机器人将可能带来一场医学革命。医生可以利用细菌般大小的机器人来治疗从心脏病到癌症的各种疾病，那些机器人将比目前这些要小得多。这些机器人可以单独或者成组地工作，来根除疾病或处理其他状况。有人相信，未来会出现一种半自动的纳米机器人，通过植入人体，定期为人检查身体，以应对一些突发疾病。和此前那些应急治疗不同，这种机器人将永远留在病人体内。

　　纳米机器人技术的另一项应用潜能是，它可以再造人类的身体，使其百病不侵，增强人类体能，甚至提高人类的智商。这听上去很熟悉，不是吗？争议不断的干细胞和克隆技术正是同一思路。理查德·汤普森博士过去是一位伦理学教授，曾撰文讨论纳米技术的伦理寓意。他认为最重要的工具是传播，社区、医疗组织以及政府必须趁纳米工业尚处于起步阶段，而深入研究其可能带来的影响，这一点十分关键。

　　纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”;其研制属于分子仿生学的范畴，所以纳米机器人也称“分子机器人”。纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。不少科学家都看好纳米机器人的应用前景，一些发达国家已经制定相关的战略性计划，投入巨资抢占纳米机器人战略高地。

　　纳米机器人是纳米生物学中最具诱惑力的内容，相关资料显示：第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体;第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置;第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。

有关专家预言：用不了多久，个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。中国科学家和未来学家周海中在1990年发表的《论机器人》一文中甚至预言：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。

　　医用纳米机器人将来把人脑和云脑连接起来，届时就可以提高人类智力和延长人类寿命

　　纳米机器人在许多领域都有着广泛的应用，其中最重要的就是在医疗卫生领域的应用。近年来，医用纳米机器人的研发取得不少可喜的成果。例如，2012年7月美国佛罗里达大学的科学家研制出一种能够100%地杀灭丙肝病毒的纳米机器人。又如，2013年6月日本东北大学的科学家开发成功可以摧毁癌细胞的纳米机器人;同年12月韩国全南大学的科学家研发出可对大肠癌、乳腺癌、胃癌和肝癌等高发性癌症进行诊断和治疗的纳米机器人。再如，今年4月以色列巴伊兰大学的研究人员成功地用DNA链造出了一种能在活动物体内按照编制的程序执行逻辑操作的医用纳米机器人。

　　4纳米尺度调整杀死变异的癌变细胞，通过外部激光器指引，精确计算找到出辐射超标的癌变细胞，利用先进的生物细胞溶解技术讲（将）可能病变的细胞溶解成化学分子元素，并通过特定传感器系统精确的核查后，将细胞组分成功进入健康细胞中，完成坏死细胞与成功健康细胞的转换。

　　用不了多久，个头只有分子大小的纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

　　它们将为我们制造钻石、舰艇、鞋子、牛排和复制更多的机器人。要它们停止工作只需启动事先设定的程序。

　　表面来看，上述想法近乎不可思议：一项单一的技术在应用初期就能治病、延缓衰老、清理有毒的废物、扩大世界的食物供应、筑路、造汽车和造楼房？这并非天方夜谭，也许在21世纪中叶前就可以实现。

　　全世界的研究机构都在想方设法将这些设想变成现实。美国总统克林顿曾经宣布成立美国国家纳米研究机构，承诺提供50亿美元进行这方面的尝试。

　　其实，纳米技术一词由来已久。理查德·费恩曼是继爱因斯坦之后最有争议和最伟大的理论物理学家，1959年他在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。从分子和原子着手改变和组织分子是化学家和生物学家意欲到达的目标。这将使生产程序变得非常简单，你只需将获取到的大量的分子进行重新组合就可形成有用的物体。

　　事实上，每一个细胞都是一个活生生的纳米技术应用的实例：细胞不仅将燃料转化为能量，而且按照储存在DNA中的信息来建造和激活蛋白质和酶，通过对不同物种的DNA进行重组，基因工程家已经学会建造新的这类纳米工具，例如用细菌细胞来生产医用激素。

　　科学家根据分子病理学的原理已经研制出各种各样的可以进入人体微观世界行走的纳米机器人，有望用于清除有害物质、修复损坏基因、激活细胞能量、维护人体健康和延长人类寿命。医用纳米机器人目前还处在试验阶段，大到长几毫米，小到直径几微米；但可以肯定的是，未来几年内，纳米机器人将会带来一场医学革命。[2]

　　1990年我国著名学者周海中教授在《论机器人》一文中预言：到二十一世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。

　　纳米技术的大胆应用设想还包括：利用纳米机器将获取的碳原子逐个组织起来，变成精美的金刚石；将二氧化物分子重新分解为原来的组成部分；在人血中放入纳米巡航工具，它能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇，然后将它们一一分解；将来纳米机器能够把草地上剪下来的草变成面包……在完全意义上讲，世上每一个现实存在的物体无论是电脑还是奶酪都是由分子组成的；

　　但纳米机械专家已经表明，实现纳米技术的应用是可行的。在扫描隧道显微镜帮助下，纳米机械专家已经能将独立的原子安排成自然界从未有的结构。此外，纳米机械专家还设计出了只由几个分子组成的微小齿轮和马达。（切勿将这些齿轮和马达与那些由数以百万计分子组成的用传统技术构建的微小齿轮和马达相混淆，这些机器同未来制造的机器相比较实在是太巨大了）。

25年内，纳米技术学家期望实现这些存在于科学陈列室中的想法，创造出真实的、可以工作的纳米机器。这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种分子；有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作。“手指”可能由碳纳米管制造，它的强度是钢的100倍，细度是头发丝的五万分之一。“电脑”可能由碳纳米管制造，这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线。“电脑”也可能由DNA制造，用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人可以构建任何物质。

　　纳米机器人执行任何任务，包括自身复制，都必须动用大量的纳米机器。血液里可能存在数以百万计的纳米机器人；在每一个有毒废物地点可能需要数以万亿计的纳米机器人，要制造一辆汽车可能要调动数以100亿亿计的纳米机器人同时工作。然而，没有一个生产线能生产如此巨大数量的纳米机器人。

　　但是，纳米科学家眼中的纳米机器可以做到这点。他们设计的纳米机器人可以完成两件事：执行它们的主要任务和制造出它们自身完美的复制体。如果第一个纳米机器人能够制造出两个复制体，这两个复制体每个又可制造出两个自己的复制体，很快就可以获得数万亿个纳米机器人。

　　但是，假如纳米机器人忘记停止复制，会发生什么？如果没有一些内建的停止信号，纳米机器人忘记停止复制，这种灾难的可能后果将会是无法计算的。纳米机器人在人体内快速复制，能够比癌症扩散还要快地布满正常组织；一个发疯的制造食物机器人能够把地球的整个生物圈变成一块巨大的奶酪。

　　纳米技术学家没有回避危险，但是他们相信他们能控制灾难的发生。其中一个办法是设计出一种软件程序使纳米机器人在复制数代后自我摧毁。另一种办法是设计出一种只在特定条件下复制的机器人，例如只有在有毒化学物质以较高浓度出现时机器人才能复制，或者在一个很窄的温度和湿度范围内机器人才能复制。

就像电脑病毒的传播一样，所有以上这些努力都无法阻止那些不怀好意的人有意释放某种纳米机器人作为害人武器。事实上，一些批评家指出纳米技术可能的危险要大于它的益处。然而，仅仅这些利益就已经太具诱惑力了，纳米技术必将超过电子计算机和基因制药而成为新世纪的技术发展方向。世界可能会需要一个纳米技术免疫系统，这个系统中纳米机器人警察不断地在微观世界中同那些不怀好意的机器人进行战斗。

　　中国纳米机器人显奇功

中国人也可以像摆棋子一样摆弄原子了。记者从中科院获悉，一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机由中国科学院沈阳自动化所研制成功，并通过了国家“863”自动化领域智能机器人专家组的验收。在一个演示中，沈阳自动化所的研究人员操纵“纳米微操作机器人”，在一块硅基片上1×2微米的区域上清晰刻出“SIA”3个英文字母（沈阳自动化所的缩写）；另一个演示显示，在一个5×5微米的硅基片上，操作者将一个4微米长、100纳米粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。

　　纳米微操作机器人在10×10微米的基片上刻出的字样 　　测试显示，在刻画操作中，这台纳米微操作机器人在512个像素宽度的显示区域里，重复定位误差小于5个像素，精度达1%以上；在移动纳米碳管的操作中，重复定位精度达到30纳米；而在基于路标的定位测试中，其定位误差小于4纳米。专家解释，1纳米是10^-9米，大约等于10个氩原子并列成一条直线的长度。在纳米尺度上的操作，被称为“纳米微操作”，是纳米技术的重要内容，其目的是在纳米尺度上按人的意愿对纳米材料实现移动、整形、刻画以及装配等工作。纳米微操作始于20世纪80年代，IBM的科学家1989年利用扫描式隧道显微镜（STM）操作35个氙原子在镍金属表面拼出I－B－M三个字母，成为轰动世界的新闻，开了纳米微操作先河。从此，纳米操作技术作为一个重要的战略发展方向吸引各国竞相展开研究。该项目研究人员介绍，这台机器人系统在纳米尺度下的系统建模方法、三维纳观力获取与感知及误差分析与补偿方面有很多突破与创新，都达到世界先进水平。据介绍，这种纳米微操作机器人可广泛应用于纳米科学实验研究、生物工程与医学实验研究、微纳米科研教学等领域。如生物学研究领域中，使用纳米微操作机器人可完成对细胞染色体的切割操作；也可在DNA或分子水平上进行生化检测及病理、生理测试实验研究。此外这种机器人在IC工业中纳米器件的装配与加工方面也有良好的应用前景，如可以利用它操作纳米微粒，装配微/纳米电子器件，甚至复杂的纳米电路。这意味着，未来利用纳米电路制成的电脑和家用电器，可以“想要它有多小，就能做多小”，甚至可以“塞进牙缝”；而未来利用纳米操作技术制作的微型机器人，也可以钻入人体替病人疏通血管，或在肉眼看不见的微观世界里，完成人们自己不可能完成的任务。

　　医用纳米机器人目前仍处于研发试验阶段，还未能进入临床实用阶段;但可以肯定的是，未来几年内，纳米机器人将会带来一场医学革命。美国发明家和未来学家、谷歌公司工程总监雷·科兹威尔最近在接受《华尔街日报》采访时指出：医用纳米机器人将来把人脑和云脑(云计算系统)连接起来，届时就可以提高人类智力和延长人类寿命。会有那么一天，成千上万的微型机器人在我们的血脉中穿梭，为我们调整机能、治疗伤口、淤青甚至疾病吗？有了纳米技术，这一天看上去并不遥远。