納米機(jī)器人

 　　產(chǎn)生背景

　　1959年率先提出納米技術(shù)的設(shè)想是諾貝爾獎(jiǎng)得主理論物理學(xué)家理查德-費(fèi)曼。他率先提出利用微型機(jī)器人治病的想法。用他的話說(shuō)，就是“吞下外科醫(yī)生”。理查德·費(fèi)恩曼在一次題目為《在物質(zhì)底層有大量的空間》的演講中提出：將來(lái)人類有可能建造一種分子大小的微型機(jī)器，可以把分子甚至單個(gè)的原子作為建筑構(gòu)件在非常細(xì)小的空間構(gòu)建物質(zhì)，這意味著人類可以在最底層空間制造任何東西。從分子和原子著手改變和組織分子是化學(xué)家和生物學(xué)家意欲到達(dá)的目標(biāo)。這將使生產(chǎn)程序變得非常簡(jiǎn)單，只需將獲取到的大量的分子進(jìn)行重新組合就可形成有用的物體。

　　在1959年的演講《在底部有很多空間》中，他提出納米技術(shù)這一想法。雖然沒(méi)有使用“納米”這個(gè)詞，但他實(shí)際上闡述了納米技術(shù)的基本概念。

　　1990年我國(guó)著名學(xué)者周海中教授在《論機(jī)器人》一文中預(yù)言：到二十一世紀(jì)中葉，納米機(jī)器人將徹底改變?nèi)祟惖膭趧?dòng)和生活方式。

　　2010年7月1日，美國(guó)密西西比州的灣港，墨西哥灣“深水地平線”號(hào)的漏油被沖上海岸。在應(yīng)對(duì)漏油事故等環(huán)境災(zāi)難方面，納米機(jī)器人的效率遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)方式。

　　學(xué)術(shù)設(shè)想

　　納米生物學(xué)的設(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(jī)器人，也稱納米機(jī)器人。涉及的內(nèi)容可歸納為以下3個(gè)方面：

　　在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的聯(lián)系。

　　在納米尺度上獲得生命信息，例如，利用掃描隧道顯微鏡獲取細(xì)胞膜和細(xì)胞表面的結(jié)構(gòu)信息等。

　　納米機(jī)器人的研制。納米機(jī)器人是納米生物學(xué)中最具有誘惑力的內(nèi)容，第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，這種納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查和疾病治療。還可以用來(lái)進(jìn)行人體器官的修復(fù)工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機(jī)體正常運(yùn)行。第二代納米機(jī)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，第三代納米機(jī)器人將包含有納米計(jì)算機(jī)，是一種可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的裝置。

　　納米尺度調(diào)整殺死變異的癌變細(xì)胞，通過(guò)外部激光器指引，精確計(jì)算找到出輻射超標(biāo)的癌變細(xì)胞，利用先進(jìn)的生物細(xì)胞溶解技術(shù)將可能病變的細(xì)胞溶解成化學(xué)分子元素，并通過(guò)特定傳感器系統(tǒng)精確的核查后，將細(xì)胞組分成功進(jìn)入健康細(xì)胞中，完成壞死細(xì)胞與成功健康細(xì)胞的轉(zhuǎn)換。

　　技術(shù)原理

　　納米生物學(xué)的產(chǎn)生是與SPM的發(fā)明和在生命科學(xué)中的應(yīng)用分不開的。生命過(guò)程是已知的物理、化學(xué)過(guò)程中最復(fù)雜的事情。不同于宏觀生物學(xué)，納米生物學(xué)是從微觀的角度來(lái)觀察生命現(xiàn)象、并以對(duì)分子的操縱和改性為目標(biāo)的。納米生物學(xué)發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)就已經(jīng)取得了可喜的成績(jī)。生物科學(xué)家在納米生物學(xué)領(lǐng)域提出了許多富有挑戰(zhàn)性的新觀念。納米生物學(xué)的加工技術(shù)可以向生物細(xì)胞學(xué)習(xí)。

　　事實(shí)上，每一個(gè)細(xì)胞都是一個(gè)活生生的納米技術(shù)應(yīng)用的實(shí)例：細(xì)胞不僅將燃料轉(zhuǎn)化為能量，而且按照儲(chǔ)存在DNA中的信息來(lái)建造和激活蛋白質(zhì)和酶，通過(guò)對(duì)不同物種的DNA進(jìn)行重組，基因工程家已經(jīng)學(xué)會(huì)建造新的這類納米工具，例如用細(xì)菌細(xì)胞來(lái)生產(chǎn)醫(yī)用激素?？茖W(xué)家根據(jù)分子病理學(xué)的原理已經(jīng)研制出各種各樣的可以進(jìn)入人體微觀世界行走的納米機(jī)器人，有望用于清除有害物質(zhì)、修復(fù)損壞基因、激活細(xì)胞能量、維護(hù)人體健康和延長(zhǎng)人類壽命。醫(yī)用納米機(jī)器人目前還處在試驗(yàn)階段。

　　應(yīng)用領(lǐng)域

　　納米技術(shù)的大膽應(yīng)用設(shè)想還包括：利用納米機(jī)器將獲取的碳原子逐個(gè)組織起來(lái)，變成精美的金剛石；將二氧化物分子重新分解為原來(lái)的組成部分；在人血中放入納米巡航工具，它能自動(dòng)尋找沉積于靜脈血管壁上的膽固醇，然后將它們一一分解；將來(lái)納米機(jī)器能夠把草地上剪下來(lái)的草變成面包……在完全意義上講，世上每一個(gè)現(xiàn)實(shí)存在的物體無(wú)論是電腦還是奶酪都是由分子組成的；

　　在理論上，納米機(jī)器可以構(gòu)建所有的物體，當(dāng)然從理論到真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用是不能等同的。

　　但納米機(jī)械專家已經(jīng)表明，實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)的應(yīng)用是可行的。在掃描隧道顯微鏡幫助下，納米機(jī)械專家已經(jīng)能將獨(dú)立的原子安排成自然界從未有的結(jié)構(gòu)。此外，納米機(jī)械專家還設(shè)計(jì)出了只由幾個(gè)分子組成的微小齒輪和馬達(dá)。（切勿將這些齒輪和馬達(dá)與那些由數(shù)以百萬(wàn)計(jì)分子組成的用傳統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的微小齒輪和馬達(dá)相混淆，這些機(jī)器同未來(lái)制造的機(jī)器相比較實(shí)在是太巨大了）。

　　25年內(nèi)，納米技術(shù)學(xué)家期望實(shí)現(xiàn)這些存在于科學(xué)陳列室中的想法，創(chuàng)造出真實(shí)的、可以工作的納米機(jī)器。這些納米機(jī)器有微小的“手指”可以精巧地處理各種分子；有微小的“電腦”來(lái)指揮“手指”如何操作。“手指”可能由碳納米管制造，它的強(qiáng)度是鋼的100倍，細(xì)度是頭發(fā)絲的五萬(wàn)分之一。“電腦”可能由碳納米管制造，這些碳納米管既能做晶體管又能做連接它們的導(dǎo)線。“電腦”也可能由DNA制造，用適當(dāng)?shù)?span id="rftnufk" class='hrefStyle'>軟件和足夠的靈巧性進(jìn)行武裝的納米機(jī)器人可以構(gòu)建任何物質(zhì)。

　　納米機(jī)器人執(zhí)行任何任務(wù)，包括自身復(fù)制，都必須動(dòng)用大量的納米機(jī)器。血液里可能存在數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的納米機(jī)器人；在每一個(gè)有毒廢物地點(diǎn)可能需要數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的納米機(jī)器人，要制造一輛汽車可能要調(diào)動(dòng)數(shù)以100億億計(jì)的納米機(jī)器人同時(shí)工作。然而，沒(méi)有一個(gè)生產(chǎn)線能生產(chǎn)如此巨大數(shù)量的納米機(jī)器人。

　　但是，納米科學(xué)家眼中的納米機(jī)器可以做到這點(diǎn)。他們?cè)O(shè)計(jì)的納米機(jī)器人可以完成兩件事：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(gè)納米機(jī)器人能夠制造出兩個(gè)復(fù)制體，這兩個(gè)復(fù)制體每個(gè)又可制造出兩個(gè)自己的復(fù)制體，很快就可以獲得數(shù)萬(wàn)億個(gè)納米機(jī)器人。

　　但是，假如納米機(jī)器人忘記停止復(fù)制，會(huì)發(fā)生什么？如果沒(méi)有一些內(nèi)建的停止信號(hào)，納米機(jī)器人忘記停止復(fù)制，這種災(zāi)難的可能后果將會(huì)是無(wú)法計(jì)算的。納米機(jī)器人在人體內(nèi)快速?gòu)?fù)制，能夠比癌癥擴(kuò)散還要快地布滿正常組織；一個(gè)發(fā)瘋的制造食物機(jī)器人能夠把地球的整個(gè)生物圈變成一塊巨大的奶酪。

　　納米技術(shù)學(xué)家沒(méi)有回避危險(xiǎn)，但是他們相信他們能控制災(zāi)難的發(fā)生。其中一個(gè)辦法是設(shè)計(jì)出一種軟件程序使納米機(jī)器人在復(fù)制數(shù)代后自我摧毀。另一種辦法是設(shè)計(jì)出一種只在特定條件下復(fù)制的機(jī)器人，例如只有在有毒化學(xué)物質(zhì)以較高濃度出現(xiàn)時(shí)機(jī)器人才能復(fù)制，或者在一個(gè)很窄的溫度和濕度范圍內(nèi)機(jī)器人才能復(fù)制。

　　就像電腦病毒的傳播一樣，所有以上這些努力都無(wú)法阻止那些不懷好意的人有意釋放某種納米機(jī)器人作為害人武器。事實(shí)上，一些批評(píng)家指出納米技術(shù)可能的危險(xiǎn)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(guò)電子計(jì)算機(jī)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(huì)需要一個(gè)納米技術(shù)免疫系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)中納米機(jī)器人警察不斷地在微觀世界中同那些不懷好意的機(jī)器人進(jìn)行戰(zhàn)斗。

　　研究進(jìn)展

　　納米機(jī)器人，外形仿照大腸桿菌。科學(xué)家將在2015年進(jìn)行臨床試驗(yàn)。納米技術(shù)研究領(lǐng)域的科學(xué)家積極探索這項(xiàng)技術(shù)在其他方面的應(yīng)用，例如水處理或者環(huán)境治理。將來(lái)可能會(huì)操控?cái)?shù)百萬(wàn)個(gè)納米機(jī)器人，讓它們穿過(guò)被污染的水域，尋找和處理污染物而后將它們收集在一起。

　　在治療心臟病時(shí)，納米機(jī)器人將穿過(guò)一根直徑2到3毫米的導(dǎo)管，進(jìn)入需要治療的特定部位。這種導(dǎo)管技術(shù)也可用于大腦以及其他部位，例如腸道和尿道。進(jìn)入這些部位的最大難度就是一定要達(dá)到極高的精確度。出于這個(gè)原因，納米技術(shù)長(zhǎng)久以來(lái)一直被譽(yù)為未來(lái)對(duì)抗癌癥的最理想武器。

　　納米機(jī)器人在絕對(duì)無(wú)塵室制造，防止它們感染細(xì)菌。這種制造方式在很大程度上與電腦芯片類似。尼爾森指出這一次的成功測(cè)試給了他們很大鼓勵(lì)，促使他們探索納米機(jī)器人的其他應(yīng)用，例如治療心臟病。

　　科學(xué)家在極為脆弱的環(huán)境下對(duì)納米機(jī)器人進(jìn)行活體測(cè)試，這個(gè)極為脆弱的環(huán)境便是眼睛。測(cè)試中，它們穿過(guò)玻璃體——充滿視網(wǎng)膜與晶體之間眼球的無(wú)色透明膠狀物質(zhì)——將藥物送入視網(wǎng)膜，治療與衰老有關(guān)的疾病，例如黃斑變性。黃斑變性可導(dǎo)致失明。

　　爾森的納米機(jī)器人可能并不攜帶一把微型手術(shù)刀，但它們擁有一些非常獨(dú)特的東西。它們的外形仿照大腸桿菌，利用被稱之為“鞭毛”的旋轉(zhuǎn)尾巴驅(qū)動(dòng)身體前行。

　　個(gè)裝有大腸桿菌的培養(yǎng)皿。細(xì)菌擁有一個(gè)回轉(zhuǎn)馬達(dá)。現(xiàn)在，我們還無(wú)法制造這種馬達(dá)，我們沒(méi)有這方面的技術(shù)，但我們能夠借助磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)相同的目的。我們采用了鞭毛的設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行磁化，允許機(jī)器人游動(dòng)。