纳米机器人:于细微处见神奇

文章来源:国家科技部     发布时间:2012-03-01

 

纳米机器人构造  (示意图)

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”,也称分子机器人;而纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。

目前,不少国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米机器人这种新科技的战略高地。《机器人时代》月刊日前指出:纳米机器人潜在用途十分广泛,其中特别重要的就是应用于医疗和军事领域。

纳米蜘蛛机器人复制出了另一个机器人,继而被染成绿色,并朝红色目标移动(效果图)

医用纳米机器人

在美国科幻大片《惊异大奇航》中,科学家把变小的人和飞船注射进人体,让这些缩小的“参观者”直接观看到人体各个器官的组织和运行情况。然而在现实中,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的纳米机器人,有望用于维护人体健康。

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。

许多工程师、科学家和医生都认为,医用纳米机器人有着无限的潜力——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、粉碎肾结石、人工授精以及激活细胞能量,使人不仅保持健康,而且延长寿命。

纳米机器人(艺术图)

2010年5月,美国哥伦比亚大学的科学家成功研制出一种由脱氧核糖核酸(DNA)分子构成的纳米蜘蛛机器人,它们能够跟随DNA的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止,并且它们能够自由地在二维物体的表面行走。这种纳米蜘蛛机器人只有4纳米长(一纳米为一米的十亿分之一),比人类头发直径的十万分之一还小。

虽然之前的纳米机器人也实现了行走功能,但不会超过3步。而纳米蜘蛛机器人却能行进100纳米距离,相当于50步。科学家通过编程,让其能够沿着特定的轨道运动;这一进展的强大之处在于:一旦被编程,纳米蜘蛛机器人就能够自动完成任务,而不需要人为介入。他们认为:纳米蜘蛛机器人可以用于医疗事业,以帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的,还可以帮助人们完成外科手术,清理动脉血管垃圾等。

图中描述的是纳米机器人正在寻找入侵的病毒

科学家已经研发出这种机器人的生产线。随着这种机器人的问世,科学家在朝着打造可在血管中穿行,用于杀死癌细胞的先进装置的道路上又向前迈进一大步。

以色列科学家目前正在研制一种微型纳米机器人,它可以在人体内“巡逻”,在锁定病灶后自动释放所携带的药物。这种技术的原理是:在编程过程中将某种特定疾病定义为“是”状态。“巡逻”过程中,机器人可实行一系列计算,检查所在位置处信使核糖核酸(mRNA)上的疾病指标。如果某种特定疾病的所有指标都满足,机器人这时会做出应该释放药物的判断。如果检测到的指标并不充分,它最后会位于“否”的状态。

科学家对这种机器人进行了不断的改进,并取得了突破性的进展,它现在可以从多种渠道来检测疾病指标,例如mRNA、微核糖核酸(miRNA)、蛋白质以及多种小分子。

科学家的目标是:在未来创造大量这种纳米机器人,让它们自动且不间断地在身体内巡逻,寻找各种疾病信号。由于可以从多种渠道直接探测疾病指标,所以诊断更为精确。

在经过更多更好的计算以后,这种机器人还可以向发现疾病的位置释放第一轮预防性药物,作为防止传染的第一道防线。虽然在现实中该技术离大家还有些遥远,但其随时警惕身体健康状态的设想仍非常诱人。

图中描述的是一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物

军用纳米机器人

进入21世纪,科技发展如火如荼,军事变革风起云涌。站在历史新起点上审视,到底什么科技能够像核武器一样,对未来军事产生革命性的影响?近来国外军事专家纷纷预言:纳米机器人离大家的战场并不遥远,它们在世界范围不仅将引领一场真正意义的战争革命,并将同时推进作战理念、作战方法的根本改变。

目前,各主要军事大国正在积极进行军用纳米机器人的研发,并已成功研制出数十种纳米机器人用的元器件;纳米机器人部队将在一些实验室或生产在线整装待发。

纳米机器人是如何消灭或使敌有生力量丧失战斗力的呢?首先,将纳米机器人应用到传统的武器技术装备中去,通过改善其制造材料、制作工艺、指控系统、制导系统、运输和储存方式,提高传统武器技术装备的战术技术性能,加强传统作战手段的杀伤效能;其次,开发新的人体作战手段和作战方式,比如研发出能堵住人脸、鼻、口、眼的纳米微型组件,或能粘住手、脚的纳米微型组件等等;再次,对现有的化学和生物体进行改造或研发出新型的化学或生物体,并将其注入到人造或杂交的昆虫体内,通过昆虫将这些带有杀伤性的化学或生物体传播到敌国军民的身体之中;最后,纳米机器人在进入敌人身体后,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。

图中描述的是一个纳米机器人正在进入红细胞

有关专家认为:军用纳米机器人可以充当侦察工具,如“智能沙粒”或者“智能尘埃”。这些工具具有电子鼻的功能,只有沙粒那么大,可以分析周围环境、识别化学构成、向监督系统汇报。最终的侦察报告是非常全面的,将成千上万个电子鼻的数据进行梳理,每个纳米电子鼻的侦察范围只有1米,但是众多的电子鼻覆盖在有限的区域中,这些纳米点具有很高的侦察精度。

如果“智能沙粒”组成的网络中有各种不同的传感器,监督计算器可以使用数据融合对遥远的战场或山中道路形成更加复杂、更加精确的实时侦察图像,敌人却全然不知,当地居民的风险也很小。

美国国防部先进研究项目局(DARPA)与工业部门正在研制一种会飞的军用纳米机器人。这种纳米机器人只有昆虫大小或鸟类大小;它不容易被发现,具有致命性,低价,可以快速反应,可以持续作战,机动性好。他们计划在2015年之前制造出鸟类大小的可以侦察大规模杀伤武器的纳米机器人,在2030年之前制造出昆虫大小的可以侦察大规模杀伤武器的纳米机器人。

顺带一提的是:受DARPA的委托,AV企业于2011年7月研制出一种用于侦察的纳米蜂鸟机器人,它装配不少纳米级元器件;这款机器人被《时代》周刊评为2011年度五十项最佳发明之一。

每一种新科技的出现,似乎都包涵着无限可能。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。中国著名学者周海中教授在1990年发表的《论机器人》一文中就预言:到21世纪中叶,纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。

最后值得一提的是:未来学家认为,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,后者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,大家将创造出无数与纳米机器人技术融合的更新的技术。届时,人类将进入一个新天地,成为地道的“新人类”。

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