纳米机器人_纳米机器人系统

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纳米机器人

前言

爱因斯坦曾预言：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”理查德·费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。但洞察微观世界的秘密，需要借助仪器来开拓视野、延伸双手。纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界。

纳米机器人的概念

纳米生物学的产生是与扫描探针显微镜(SPM,即Scanning Probe Microscope)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，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。③纳米机器人的研制。

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”。理论上讲纳米机器人是大量原子或分子按确定顺序聚集而成为具有确定功能的微型器件。某些情况下，能进行纳米尺度微加工或操作的自动化装置也被称之为纳米机器人。因此，广义上来说，纳米机器人可分为生物纳米机器人和进行纳米加工的自动化装置2种。

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。第三代生物纳米机器人目前还处于设想阶段。

面临的难题

为了让纳米机器人具有实用性，需要重点解决三个问题：导航，动力，移动方式。

• 导航机制

导航可以分为外部导航和机载导航。外部导航系统：发送探测信号来定位。

可以使用很多不同的方法指示纳米机器人到达正确的位置。其中一种是让纳米机器人发出超声波脉冲信号，使用者通过使用带有超声波传感器的特殊设备来检测信号，从而跟踪纳米机器人的位置，指引它去往目的地。其他检测方法也包括放射性染料、X射线、无线电波或热量等。

机载导航系统：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物质进行追踪，找到目的地。光谱传感器，能够从周围采样，探知周围物体发出的光谱，发现所要寻找的部位。

• 动力系统

可以从两个方面来考虑，一种是小到足以放进纳米机器人体内的电池，另一种是利用核能。将来，纳米机器人的动力最有可能是来自外部，从周围环境中获取能量。

• 移动方式

移动方式即推进系统。

科学家希望从微生物中获取灵感。如草履虫可以滑动纤毛在水中活动，细菌通过舞动鞭毛可以自由移动。

纳米机器人也可能通过振动膜的交替收缩和扩张来产生微弱的动力，使其移动。

由于找不到足够小的动能装置来充当纳米机器人的发动机，科学家曾经一度认为无法制造出纳米机器人。但制造纳米机器人并非都是从“零”开始。自然界中的生物分子是存在的最丰富的构建纳米机器人零件的来源，纳米机器人可以利用生物分子自己完成零件组装。目前，科学家找到了利用精子驱动纳米机器人的方法。一个纳米机器人制造成功，会拥有生物的DNA还具有自我复制的特性，如果输入相关指令，由生物分子组成的纳米机器人就可以完成自我复制。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，很快就可以获得万亿个纳米机器人，从一个变为上亿个。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。

纳米机器人的作用机理

纳米尺度调整杀死变异的癌变细胞，通过外部激光器指引，精确计算找出辐射超标的癌变细胞，利用先进的生物细胞溶解技术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。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。

纳米机器人的应用

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。

医疗卫生领域

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。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。让我们期待这一天早日到来。

军事领域

在未来战争中，纳米机器人的使用范围非常广泛，它既可以采用传统的作战方式（如爆破攻击、热能攻击、动力攻击等等），也可以使用新型的作战样式（如电磁辐射攻击、信息攻击、生化攻击等等）。

从杀伤效能来看，纳米机器人的威力要高出核武器数倍，它能消灭地球表面所有的细菌、病毒和微生物，甚至整个地球生态圈。

纳米机器人的出现，不仅改变了未来战争的性质和特点，而且极有可能成为未来战争的导火索。从上世纪中叶开始，大国之间凭借核武器逐渐形成了确保相互摧毁的核平衡态势。大国之间虽有矛盾，但鉴于核武器的恐怖威力，谁也不敢发动世界大战，因为一旦战争爆发，就意味着人类的整体灭亡。纳米机器人出现后，核武器一夜之间就会变得毫无用处，不但打破了大国之间的核均势，而且有核国家也无法再用核武器对他国进行威慑和恐吓。各国都清楚，纳米机器人可在极短的时间内悄无声息的使核武器失去效能，变成一堆废铜烂铁。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、眼的纳米微型元件，或能粘住手、脚的纳米微型元件等等。第三，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；第四，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。

纳米机器人的其他应用设想

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。

预计到2030年纳米机器人通过高速无线连接相互联络，可以与扫描数据库的电脑沟通。当然，这些机器人还能从无线网络上获取信息，人们可以在千里之外遥控它们。在远一些的未来，将纳米机器人放在来自感觉器官的每一个神经元间连接的位置，它就能够抑制所有来自真实感官的信息，并以虚拟环境的适当信号让人类进入一个虚拟现实环境。你不必给朋友打电话，就能与之相聚在伦敦的咖啡馆，或者一同漫步在虚拟的夏威夷海滩，纳米机器人彻底改变人类的劳动和生活方式。

每一种新技术的出现，似乎都包涵着无限可能。这项技术才刚刚开始，要达到最普遍的应用，至少还要再等20或30年。

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。

纳米机器人的潜在危害

有科学家预言：地球在未来200年内将面临十大迫在眉睫的灾难，人类能够幸免的机会只有50%。其中一大灾难，就是纳米机器人。

未来，这些机器人以数亿计的数量使用。它们将大量分布在整个世界，占据数十亿或者是数万亿个位置。人们担心能够进行自我复制的纳米机器人，如果失去控制，开始疯狂地复制自身怎么办？在失去控制的纳米机器人眼里，所有的物质都是一样的，都是一堆原子。它们不仅可以把岩石拆开，组装成纳米机器人，也可以把机器、大桥、高楼大厦拆开，还可以把所有的动植物和人拆开组装成纳米机器人。

我们的皮肤能够挡住微生物，但不一定能挡住纳米机器人。我们的免疫系统可以杀死微生物，但不一定能杀死纳米机器人。纳米机器人和所有的生物都不一样，它们在没有水、矿物质或者没有空气的地方也可以自我复制，所以这种自复制带来的指数增长不会因为这些条件而停止下来。

瞬间，地球上除了纳米机器人之外就什么也没有了。

那到什么时候才会停止呢？一直到所有的原料都消耗殆尽为止，包括地球上所有的有机物和无机物。这种毁灭不仅是人类的毁灭，也是所有生物进化成果的毁灭，可能也是地球的毁灭。

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。

未来究竟会怎样，任何结论似乎都还太早。

参考文献：1.黄晓秋《纳米机器人：从科学幻想走进现实世界》

2.中国网新闻《专家：纳米战争即将到来20年后纳米机器人亮相》 3.平朝霞《2012纳米机器人的研究进展》 4.杨爱敏《纳米机器人——人体健康的清道夫》

周陈霞，徐万和《纳米机器人的发展和趋势及其生物医学应用》 5.李沐纯等《中国现代医学杂志》 6.7.梁文《军用纳米机器人》

8.王赛《纳米机器人在医疗上的应用及原理》 9.白井良明《机器人工程》

10.Wenting Chen《Investigation of Functionalized Carbon Nanotubes as a Delivery System for Enhanced Gene Expreion with Implications in Developing DNA Vaccines for Hepatitis C Virus》

11.Freitas RA Jr 《Exploratory design in medical nanotechnology：a mechanical artificial red cell[J]．Artif Cells Blood Substit Immobil Biotechnol》