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1、纳米机器人：空想还是现实？,理学院 光科1001班 李晨 10272006,右图是英国画师Adam Baines的科幻作品,一、纳米机器人的构想,“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。,二、纳米机器人的应用用,纳米机器人潜在用途十分广泛，其中特别重要的就是
2、应用于医疗和军事领域。,应用之一：医用纳米机器人,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。 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，可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。 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。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。,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，并且能够自由地在二维物体的表面行走。这种纳米蜘蛛机
3、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。,科研人员研发出一种微型纳米粒子，可以通过患者的血流进入肿瘤，然后释放出药物，关掉一种非常重要的癌症基因。这项研究成果已经发表在自然杂志上。,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”，在锁定病症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， 机器人可执行一系列计算，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，机器人就 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
4、位于“否”的状态。,其他应用举例：,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。 携带小型超声波信号发生器治疗肾结石。 在人血中放入纳米巡航工具，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。 将由硅晶片制成的存储器（ROM）微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。,应用之二：军用纳米机器人,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
5、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。,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、廉价、快速反应、持续作战、机动性等特点。 美国计划在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
6、制造出昆虫大小的可以侦察大规模杀伤性武器的纳米机器人。,AV公司于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。,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：纳米机器人离我们的战场并不遥远,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。,三、面临的难题,全自动化或自主化的纳米操作机器人,机器人化纳米操作系统,（1）驱动装置 压电陶瓷驱动器 （2）传感装置 A
7、FM探针等 （3）控制系统 高精度定位 （4）人机（宏观-微观）交互装置与接口 比例放大 比例缩小,三、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,3.3,3.1,3.2,导航机制 导航可以分为外部导航和机载导航。 3.1.1 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。,3.1,3.1.2 机载导航系统：内部传感器。
8、 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。,3.1,导航机制,3.1.2 机载导航系统：内部传感器,举例：纳米生物传感器,纳米生物传感器是纳米生物机器人获取信息及进行运动控制的重要部件，目前主要研究利用碳纳米管、蛋白质、色素、硅悬臂等的机械、光学、化学、电及生物特性进行设计。 （后边图片详细）,热激因子(HSF)蛋白在环境变化时结合到DNA并使溶液颜色变化，据此Tufts大学将蚀刻后充满寡核苷酸功能化微球的光纤束制成了光学DNA生物传感器平台，进行单核苷多态(SNPs)辨别或者探测病
9、态的DNA，及监测DNA和蛋白质的相互作用。,基于HSF的 纳米生物机器人,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。 例如： 配置电极直接从血流中获取能量。 携带少量化学物，这些化学物与血液结合产生反应，就能变成一种燃料。 利用 “塞贝克效应”，体温温差产生电压差。,3.2,3.2,动力系统,举例：纳米生物机器人,分子马达(驱动器) 分子马达是纳米生物机器人的核心部件，因此成为研究的热点，按照组成物质和运动机理，可以分为基于蛋白质、DNA、ATP和鞭毛马达的分子马达,3.2.1蛋白
10、质分子马达,病毒蛋白马达 (利用病毒蛋白在PH值变化时构象变化而产生位移),马达蛋白马达 (后边举例) (利用马达蛋白沿微管运动的特性),Washington大学的Hess的纳米技术中心，建立了一个基于马达蛋白的，具有轨道、货物码头和控制系统的分子火车系统系统中特殊的马达蛋白连接到填满蛋白的小容器上，并沿着细胞的骨架传输它们目前该分子火车能够沿着加工路径移动货物，并可以控制kinesin轨道上微管的方向、向微管装载货物、用UV引导释放ATP来开关分子火车.,3.2,动力系统,举例：纳米生物机器人,分子马达(驱动器) 分子马达是纳米生物机器人的核心部件，因此成为研究的热点，按照组成物质和运动机理
11、，可以分为基于蛋白质、DNA、ATP和鞭毛马达的分子马达,3.2.2 DNA分子马达,DNA与蛋白质相比结构简单，具有天然的互补自装配特性，广泛用于制造纳米机器、关节和驱动器。 （后边举例）,世界上首个双足纳米生物机器人：双腿由36个DNA碱基对构成，通过DNA上的锚定链和 DNA轨道结合；非固定链DNA片断使得锚定链从轨道上脱落下来，使机器人的双脚沿着轨道向前寻找下一个结合锚定链，重复该过程就可以让机器人沿预定轨道行走。,3.2,动力系统,举例：纳米生物机器人,分子马达(驱动器) 分子马达是纳米生物机器人的核心部件，因此成为研究的热点，按照组成物质和运动机理，可以分为基于蛋白质、DNA、AT
12、P和鞭毛马达的分子马达,3.2.3 ATP 分子马达,ATP合成酶位于细胞的双分子膜间，利用膜内外的离子梯度来驱动分子马达的旋转，产生生物细胞赖以维生的能量货币ATP(三磷酸腺菅)，若反过来送给它ATP，则ATP合成酶的转子会倒过来旋转，因此可通过控制ATP添加的速度和浓度来控制分子马达运转。（后边举例）,Comell大学Montemagno小组用特殊的结合材料涂在转子状分子上，再让它与置于溶液中的螺旋桨接合，ATP水解时驱动螺旋桨以每秒8周的速度旋转，从而拥有了向前的驱动力。,3.2,动力系统,举例：纳米生物机器人,分子马达(驱动器) 分子马达是纳米生物机器人的核心部件，因此成为研究的热点，
13、按照组成物质和运动机理，可以分为基于蛋白质、DNA、ATP和鞭毛马达的分子马达,3.2.4 鞭毛马达,鞭毛马达位于细胞的包膜上，由10种以上的蛋白质群体组成，由相应的定子、转子、轴承、万向接头等组成。 鞭毛马达是通过膜内外的粒子电化梯度来驱动的，该力称为质子推动力PMF（Proton Motive Force）,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。,3.3,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
14、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一百亿亿计的纳米机器人同时工作。然而没有一个生产线可以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情：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，很快就可以获得万亿个纳米机器人。,思考潜在危险：,虚拟环境中的纳米生物机器人,德国Darmstadt科技大学的Cavalcanti运用进化竞争代理(agent)和遗传算法(GA)，结合先进图形仿真技术进行
15、纳米机器人的装配自动化研究。,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。,思考潜在危险：,就像电脑病毒的传
16、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。,思考潜在危险：,四、前景展望,由上述分析可以预见，纳米机器人在未来几年的发展将主要涉及如下几个方面： (1)新功能分子部件及其特性的研究 (2)部件间有效连接的研究 (3)纳米生物传感器的研究 (4)系统模型及自复制和自装配理论的研究 (5)生物计算机与纳米机器人接口的研究,四、前景展望,随着纳米技术和现代科技的进一步发展，纳米机器人已经逐渐成为纳米技术、生物工程、化学工程等众多学科门类的交叉应用。 相信在全球科学家的共同努力下，在不久的将来，纳米机器人融入现实生活将不再只是构想，而将成为现实。,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？有了纳米机器人技术，这一天看上去并不遥远。,
