纳米机器人真有传说的那么神吗?

2020-07-06 16:54
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“史诗级”、“划时代”、“科技革命”,加持在“纳米机器人”上的这么多名号,到底几分真实,几分噱头?现实与科幻到底有多少差距?为了解答这些疑问,今天我们就聊聊纳米级机器人的“真身”!


纳米机器人是啥?要怎么造

关于纳米机器人,最初是从“尺寸”的角度进行定义:“在0.1~10微米之内的微型机器”。

后来,科学家们将这个概念进行了延伸,从“功能性”上将纳米机器人定义为“对纳米级物体进行操作的机器”。而制造纳米机器人是一项非常艰巨的任务。

首先,我们需要一些小零件——相当小,可能只有发丝直径的千分之一。

2016年诺贝尔化学奖颁给了3位从事“设计分子机器”的学者。他们的主要工作就是使用化学合成法,做出了很多分子级零件,比如开关、泵和轴。

还有一些硬科技,可以用来造纳米零件,比如光刻技术。

光刻技术主要用于制造芯片,是人类掌握的少数几种可以实现纳米级精度的加工技术。美国加州理工学院科学家们采用光刻技术可以造出分辨率为25~100纳米的复杂三维金属几何图形。2019年,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家们开发了一种“飞秒投影双光子光刻”技术,可以将传统技术的加工速度提升1000倍,只需要8分20秒就可以打印出一个芝麻大小的微纳结构,加工精度保持在纳米级别。

制造出来的是纳米零件需要进一步组装成机器人,这是研究的另一难关。

2005年,中国科学院成功将一个4微米长、100纳米粗的碳纳米管,准确地移动到了一个刻好的沟槽里。然而,如何大规模进行纳米组装仍是问题。2015年,法国国家科学院的一个研究小组,成功合成了一种长长的聚合链,通过超分子键把成千上万的纳米机器结合在一起,每个纳米机器都能产生约1纳米的线性伸缩运动。积少成多,这数万个小纳米机器的运动整合起来,可以使聚合链产生10微米的收缩舒张,就像肌肉组织中那样。这只是“纳米零件”的简单聚合,真想要装配出电影中那种微如针尖的万能机器,人类还有很多路要走。


“纳米机器人”是电影和科幻小说中的常客,一次又一次闪耀登场施展绝技。在许多人的印象中,它们就是缩小无数倍的变形金刚。

以“纳米机器人”为关键词,出现的搜索结果,画风都是这样式的:


化学方法可以合成一系列分子级别零件:一个典型的纳米开关示意图,通过改变pH可以控制特定的分子进行移动。


通过飞秒投影双光子光刻技术制造的复杂三维微观结构。


如何让纳米机器人动起来

美国德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家们造出了迄今世界上最小、最快的微型发动机。这个发动机比一粒盐要小500倍,能把电能转化为机械运动,速度可以达到每分钟18000转,相当于喷气式飞机上发动机的转速,而且能连续旋转15小时。纳米发动机的真身不过是一个纳米线。

除了用电场,还能用磁场。来自MIT的科学家们借鉴了细菌鞭毛的模样,用3D打印技术造出了只有细胞大小螺旋状机器人,并称其为“人造细菌鞭毛”。这种螺旋形状可以帮助机器人更好地在血液中移动。之后他们在机器人的表面涂上了镍钛双涂层,使其具有磁性。他们能够通过外部磁场控制,人造细菌鞭毛的行动路线,使其在如同血管的通道中旋转和移动。

也有学者脑洞大开,想到从能运动的细胞那里“借力”。德国的一个研究团队使用钛—铁纳米薄膜做出了一种空心管,之后他们控制精子钻到管子里,从而做出了一种精子驱动的纳米机器。因为纳米空心管的独特机构,精子的头会卡在里面,而尾巴仍然暴漏在外面。通过改变温度等条件,可以控制精子的移动路线和速度,从而控制这个“精子机器人”。

积少成多:上万个纳米零件的协同运动,可以产生大尺度的变化 。


目前的纳米机器人能干什么

纳米机器人最终目的,就是改善我们人类自身。

从血液到胃酸,如何让纳米机器人适应复杂的体液环境?在错综复杂的血管中,怎么定位或驱动如尘埃般大小的纳米机器人?在数百万的细胞中,怎样让纳米机器人识别出患病的那个?诚然,疾病治疗是纳米机器人最重要、也是投入最多的研究方向,但实际中的重重困难让这个领域步履蹒跚。

2019年,加州理工学院的科学家们把纳米机器人放在一个胶囊里并注射进生物体内。这层胶囊可以防止纳米机器人被胃酸等体液破坏。

随后,他们利用一种名为“光声断层扫描技术”在体外对这些纳米机器人进行了实时定位。当机器人胶囊抵达病患区域时,可以用外源近红外光穿过人体组织,引发胶囊破裂从而释放纳米机器人,这些机器人在病患区域的停留并释放药物。此外,也可以把能识别癌细胞的特定蛋白质修饰在纳米机器人上。注入体内之后,这些蛋白质可以作为“眼睛”,让纳米机器人分辨出癌细胞,以进行精确打击。不过,这些研究都是在动物身上进行的。

虽然还不能指望纳米机器人“治病救人”,不过,人们还是从纳米机器人身上找到点乐子。

2017年,来自三大洲的6支队伍在法国南部进行了一场纳米车大赛,赛道由黄金制成,全长100nm。参赛者将驾驶单个分子进行比赛。全程使用扫描隧道显微镜等特殊设备产生电流,“推动”纳米小车前进。最后美国—奥地利联队以每小时35纳米取得了冠军。

纳米车大赛实际上是挑战了人类对单分子的极限操控能力。科学家们也想借此引起人们对纳米机器的关注,他们甚至和国际汽联签署了合作协议来推动纳米车大赛的发展。希望技术的快速迭代,能早日让纳米机器人造福人类。

首届纳米车大赛参赛的“纳米车”示意图。


果壳网 内容有删减

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