纳米机器人 什么是纳米机器人

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“纳米机器人”是机器人工程学的一种新兴科技，纳米机器人的研制属于“**纳米技术(Molecular nanotechnology，简称MNT)”的范畴，它根据**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**器件”。

纳米机器人的设想，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**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”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。

1959年率先提出纳米技术的设想是诺贝尔奖得主理论物理学家理查德·费曼。他率先提出利用**机器人治病的想法。用他的话说，就是“吞下外科医生”。理查德·费恩曼在一次题为《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**大小的**机器，可以把**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*底层空间制造任何东西。从**和原子着手改变和组织**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，只需将获取到的大量的**进行重新组合就可形成有用的物体。

在1959年的演讲《在底部有很多空间》中，他提出纳米技术这一想法。虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上阐述了纳米技术的基本概念。[1]

1990年,我国**学者周海中教授在《论机器人》一文中预言：到二十一世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。

2010年7月1日，美国密西西比州的湾港，墨西哥湾“深水地平线”号的漏油被冲上海岸。在应对漏油事故等环境灾难方面，纳米机器人的效率远远超过传统方式。[1]

学术设想

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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，研制可编程的**机器人，也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下4个方面：

在纳米尺度上了解生物大**的精细结构及其与功能的联系。

在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。

纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中*具有**力的内容，**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****。还可以用来进行人体**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**装配成具有特定功能的纳米尺度的**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。

纳米尺度调整**变异的癌变细胞，通过外部激光器指引，**计算找到出辐射超标的癌变细胞，利用**的生物细胞溶解技术将可能**的细胞溶解成化学**元素，并通过特定传感器系统**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。[2]

技术原理

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纳米生物学的产生是与SPM的**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*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**的操纵和改*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*的新观念。纳米生物学的加工技术可以向生物细胞学习。

事实上，每一个细胞都是一个活生生的纳米技术应用的实例：细胞不仅将燃料转化为能量，而且按照储存在DNA中的信息来建造和**蛋白质和酶，通过对不同物种的DNA进行重组，基因工程家已经学会建造新的这类纳米工具，例如用**细胞来生产医用**。科学家根据**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、**细胞能量、维护人体健康和延长人类寿命。医用纳米机器人还处在试验阶段。[3]

应用领域

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纳米技术的大胆应用设想还包括：利用纳米机器将获取的碳原子逐个组织起来，变成精美的金刚石；将二氧化物**重新分解为原来的组成部分；在人血中放入纳米巡航工具，它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；将来纳米机器能够把草地上剪下来的草变成面包……在完全意义上讲，世上每一个现实存在的物体无论是电脑还是奶酪都是由**组成的；

在理论上，纳米机器可以构建所有的物体。

纳米机器人结构示意图

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当然从理论到真正实现应用是不能等同的，但纳米机械专家已经表明，实现纳米技术的应用是可行的。在扫描隧道显微镜帮助下，纳米机械专家已经能将**的原子安排成自然界从未有的结构。此外，纳米机械专家还设计出了只由几个**组成的微小齿轮和马达。（切勿将这些齿轮和马达与那些由数以百万计**组成的用传统技术构建的微小齿轮和马达相混淆，这些机器同未来制造的机器相比较实在是太巨大了）。

25年内，纳米技术学家期望实现这些存在于科学陈列室中的想法，创造出真实的、可以工作的纳米机器。这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种**；有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作。“手指”可能由碳纳米管制造，它的强度是钢的100倍，细度是头发丝的五万分之一。“电脑”可能由碳纳米管制造，这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线。“电脑”也可能由DNA制造，用适当的软件和足够的灵巧*进行武装的纳米机器人可以构建任何物质。

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*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**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*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**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**力了，纳米技术必将超过电子计算机和基因制*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**不断地在微观世界中同那些不怀好意的机器人进行战斗。

中国应用

中国人也可以像摆棋子一样摆弄原子了。记者从中科院获悉，一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机由*****沈阳自动化所研制成功，并通过了**“863”自动化领域智能机器人专家组的验收。在一个演示中，沈阳自动化所的研究人员操纵“纳米微操作机器人”，在一块硅基片上1×2微米的区域上清晰刻出“SIA”3个英文字母（沈阳自动化所的缩写）；另一个演示显示，在一个5×5微米的硅基片上，操作者将一个4微米长、100纳米粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。

纳米微操作机器人在10×10微米的基片上刻出的字样

测试显示，在刻画操作中，这台纳米微操作机器人在512个像素宽度的显示区域里，重复定位误差小于5个像素，**达1*以上；在移动纳米碳管的操作中，重复定位**达到30纳米；而在基于路标的定位测试中，其定位误差小于4纳米。专家解释，1纳米是10^-9米，大约等于10个氩原子并列成一条直线的长度。在纳米尺度上的操作，被称为“纳米微操作”，是纳米技术的重要内容，其目的是在纳米尺度上按人的意愿对纳米材料实现移动、整形、刻画以及装配等工作。纳米微操作始于20世纪80年代，IBM的科学家19***利用扫描式隧道显微镜（STM）操作35个氙原子在镍金属表面拼出I－B－M三个字母，成为轰动世界的新闻，开了纳米微操作先河。从此，纳米操作技术作为一个重要的战略发展方向吸引各国竞相展开研究。该项目研究人员介绍，这台机器人系统在纳米尺度下的系统建模方法、三维纳观力获取与感知及误差分析与补偿方面有很多突破与创新，都达到世界**水平。据介绍，这种纳米微操作机器人可广泛应用于纳米科学实验研究、生物工程与医学实验研究、微纳米科研教学等领域。如生物学研究领域中，使用纳米微操作机器人可完成对细胞染色体的切割操作；也可在DNA或**水平上进行生化检测及病理、生理测试实验研究。此外这种机器人在IC工业中纳米器件的装配与加工方面也有良好的应用前景，如可以利用它操作纳米微粒，装配微/纳米电子器件，甚至复杂的纳米电路。这意味着，未来利用纳米电路制成的电脑和家用电器，可以“想要它有多小，就能做多小”，甚至可以“塞进牙缝”；而未来利用纳米操作技术制作的**机器人，也可以钻入人体替病人疏通血管，或在肉眼看不见的微观世界里，完**们自己不可能完成的任务。

国外应用

在美国科幻大片《惊异大奇航》中，科学家把变小的人和飞船**进人体，让这些缩小的“参观者”直接观看到人体各个**的组织和运行情况。然而在现实中，科学家根据**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。

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[4]。

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*有可能的包括：**动脉粥样硬化、**、去除血块、清洁伤口、帮助凝血、祛除寄生虫、**痛风、粉碎*结石、人工授精以及**细胞能量，使人不仅保持健康，而且延长寿命。

制造纳米机器人不是从单个原子堆积做起

理论上讲纳米机器人是大量原子或**按确定顺序聚集而成为具有确定功能的**器件，但制造纳米机器人不一定是从"零"开始。机器人是由零件组装而成的，纳米机器人的零件可以是单个的原子或**，但是更现实的是具有一定结构和功能的原子团或**的集合。利用现实存在的功能器件组装纳米机器人比从一个原子一个原子地构建机器人更为现实可行。生物**是自然界存在的*丰富的构建纳米机器人的零件的来源，现实可行的途径是按照**仿生学的原理，利用大量存在的****原器件，设计组装纳米机器人。下面列举几种研制纳米机器人的可能途径：

1.化学模拟

化学家很早就开始模拟酶**的活*中心结构制造"模拟酶",这实际上就是在研制纳米机器人，因为每一个酶**都是一个活生生的纳米机器人。但是化学家只模拟了酶活*中心功能基团在空间位置上的配置，而没有模拟出功能基团在催化底物反应时出现的动作，这种动作应当足以打开一个化学键或者合成一个化学键。因此，化学模拟还有很长的路可走，一旦模拟出具有催化动作的"模拟酶"，化学合成的纳米机器人也就诞生了。

2.利用**的自组合原理装配机器人

生物**在各个层次上存在着自组合的*质，利用**的自组合特*装配纳米机器人是一个值得探索的途径。比如构成生物膜的脂类**是一端亲水另一端疏水的双亲***，它们在水溶液中会自组合成双**层微囊泡，科学家利用这种微囊泡把***包裹起来，避免e5a48de588b67a6431333231613264**对正常细胞的杀伤作用。为了使包裹了****的微囊泡能识别癌细胞，科学家利用了抗体**对抗原**的专一识别作用，把一种专一识别癌细胞特有抗原**的抗体**装在微囊泡表面，如此制成的**载体如同"生物**"，可以专一地识别和**癌细胞。这不就是纳米物理学家倡导的定向**癌细胞的纳米机器人吗?

3.利用生物**作为**功能器件组装纳米机器人

ATP酶作为**发动机的研究已经在西方形成热点领域，**和美国双方已经呈现出强烈的对峙竞争*面。**发动机问世的意义决不仅仅是制造一种纳米机器人的动力装置，而是开辟了一个新的探索领域，这个领域就是研究生物**作为**机器人原器件的可能*。原则上所有的生物**都是纳米机器人或组成纳米机器人的零件，生物**的自组合*质就是零件组装的原理依据。因此，开展生物**作为纳米器件特*和组装原理的研究应当及早倡导和支持。

制造纳米机器人，目前有物理和化学两种方法。物理方法是指制造纳米级**的芯片所用到的光刻技术；而化学方法就是用化学物质合成**零件。

制造出机器后，下一步就是让纳米机器人“跑”起来。在微观世界中，摩擦力、布朗运动等外因会对纳米机器人造成“降维打击”，因此驱动环节的实现十分困难。但正所谓办法总比困难多，研究人员也分别给出了各自领域的解决方法——物理上可以由磁场、电场作用产生动力；化学上可以依靠化学反应产生的能量来驱动前行；而从生物的角度，DNA纳米机器人的驱动依靠两条DNA结合链，当一条链和生物体内的DNA单链结合时，另一条链就是自由的，**运动会让自由的结合链随机与另一根生物体内的DNA单链配对，这就相当于人类的双脚行走，从而实现空间的移动。