纳米机器人的实际应用与迭代升级

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　　爱因斯坦曾经说过，人类的探索无非是两个方向，一个是更大尺度的宏观，另一个是更小尺度的微观。
　　就目前来看，纳米机器人就是更微观尺度的工具应用。可以这样想象，在电影和科幻小说中身怀绝技的变形金刚，将之缩小无数倍，以至于肉眼不可见且具备专业技能的机器人，就是纳米机器人。
　　纳米机器人怎么制造出来？
　　可以想象纳米机器人的制造是极其困难的。
　　从物理尺寸来看，纳米机器人的大小在0.1～10微米之间。
　　从功能性上来看，纳米机器人又被定义为“对纳米级物体进行操作的机器”。
　　综合两者，纳米机器人是以分子水平的生物学原理作为设计原型，制造出来可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米机器人属于机器人工程学前沿科技的一种，其研制可以列为分子纳米技术（MNT）的应用范畴。
　　机器都是由功能零部件组装而成的，纳米机器人也不例外。组成它的零件，小于微末，只有发丝直径的千分之一。
　　显然，要制造纳米机器人，人类现有的机器已不敷应用，必须采用新的科技方法。比如，利用化学合成法，制造出分子级零件，并通过改变PH值来控制特定分子的运动。三位“设计分子机器”的科学家在2016年共同获得了诺贝尔化学奖。他们是這一方法的创造者。
　　还有一种是光刻法。利用可实现纳米级精度的芯片制造光刻技术，制造纳米机器人。美国加州理工的科学家们采用光刻技术，已经制造出分辨率为25～100纳米的复杂三维金属几何图形。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家们则发明了一种“飞秒投影双光子光刻”技术，加工出了纳米级别的零件，打印出芝麻粒大小的微纳结构。常用的光刻技术之外，微立体光刻技术业已得到应用。
　　除了以上工具方法，还要有相应的技术支持，如材料沉积技术、材料组装技术、微模塑、聚焦离子束和润湿技术等。
　　加工纳米机器人零件已经非常困难，而更为困难的是如何将制造出来的纳米零件组装成机器人。
　　组装则涉及逐层静电自组装、模板辅助逐层自组装以及自卷曲等。不仅如此，随着纳米机器人的升级，必须借助多种技术来实现复杂结构的加工装配。
　　好在早于上世纪80年代，人们就掌握了单原子控制技术。到2005年，中国科学院曾将一个4微米长、100纳米宽的碳纳米管，成功移动到了一个雕刻好的沟槽内。不久前的2015年，法国国家科学院的一个研究小组，成功合成了长聚合链，即通过超分子键把数量众多的纳米零件结合在了一起。这个新的结构单链，可以完成线性伸缩运动，虽然仅仅只有1纳米。而长聚合链则可以产生10微米的新型收缩舒张运动，有点类似肌肉活体组织所能做的那样。如果达到一定的数量级，比如一万个纳米零件协同运动，就可以产生尺度更大的新变化。但是，由简单聚合到缩小版的“变形金刚”万能机器人，仍然有艰难的探索路程需要完成。
　　纳米机器人如何动起来？
　　按照传统的机械运动原理，要让机器动起来，就必须有一个功率发动机提供动力。美国德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家们制造了又小又快（体积小于一粒晶盐的500倍，速度每分钟1.8万转，相当于喷气式发动机的转速）的微型发动机。实际上，这种纳米发动机只不过是一小段镍金属纳米线，依靠电场作用产生动力。
　　那么，有电场驱动，就有磁场驱动。麻省理工的科学家们由细菌鞭毛获得灵感，利用3D打印技术制造出了只有细胞大小的螺旋状机器人。正是这特异的螺旋状，可以更好地帮助机器人在人体血液中按照既定目标移动。而在其上覆涂镍钛之后，这种“细菌鞭毛机器人”便具有了磁性。在外部磁场的控制下，就可以规划其运行路线，使其在类似血管的通道中旋移。
　　由此可以清楚，自然界中原本就存在各种各样的纳米机器运动现象。例如，细胞内的输运蛋白能够克服布朗运动，在微管束组成的轨道上进行往返运动，大肠杆菌、精子细胞、草履虫等正是通过鞭毛、纤毛的活动，寻找赖以生存的食物。像所有科技创新一样，大自然中的纳米运动现象，为纳米机器人的设计制造提供了可以模拟的经验。
　　除了电、磁驱动，物理驱动方式上尚有光驱动、热驱动、声驱动、压电驱动等可以选用。
　　尽管物理驱动占据了较大比重，但化学驱动方式也有自身的优势。如纳米棒、微夹持器、火箭式管状结构、生物分子等，因为其表面易于为化学物质所修饰，之后就可以依靠化学反应产生的能量来驱动。管式纳米机器人易产生较大的推进力，非对称的Pt制的纳米机器人可以产生稳定的旋转运动，也因此被称为自驱动。
　　当然，为了取长补短，以上多种驱动方式可以分时复用，如电磁场驱动和趋药性自驱动，或者结合使用，如磁驱动和压电、声、光驱动相结合。组合方式可以提升纳米机器人的性能、扩展其功能。不难理解，与之同时纳米机器人所需的外部条件也相应增多，控制方法的复杂度随之增大。
　　纳米机器人能帮助人类做什么？
　　人类使用纳米机器人的最终目的，无非是两个，一个是改善体外物理世界，一个是改善体内物理世界。
　　目前来看，纳米机器人在改善体内物理世界方面所取得的成绩更为突出。最为人们所熟知的就是用于肿瘤等一系列免疫系统治疗纳米机器人。
　　医疗纳米机器人首先要解决的就是在血液或胃酸里，不受体液影响，并在百万细胞中准确定位到病体细胞。2019年，加州理工的科学家们把纳米机器人置于一颗胶囊里并注射进生物体。之所以用了胶囊就是为了防护纳米机器人被胃酸等体液侵蚀损坏。随后，体外“光声断层扫描技术”实时定位纳米机器人，体外红外光照射破裂胶囊后，纳米机器人开始工作，即对病患细胞释放药物。另外，携带能识别癌细胞的特定蛋白质的纳米机器人，可以识别并分辨癌细胞，以完成对癌细胞的精准消除。
　　如果没有外部磁场，运动则是随机的，但通过磁场控制后，就可以实现定向运动，甚至实现纳米机器人群的有规律运动。 　　有趣的是，2017年举办的赛道全长仅有100nm的纳米车大赛，倒是彰显了人类探索操控纳米机器人的新勇气与新努力。
　　目前，纳米机器人已被用于生物探测、智能载药、可控药物释放、血栓清除、杀死肿瘤细胞、环境污染物监测、环境治理、微纳米组装以及军事等多个领域。
　　初步的实践应用案例——石油开采纳米机器人
　　2007年，著名的沙特阿美石油公司提出了油藏纳米机器人的概念。2008年，Schlumberger、Halliburton、Total、ConocoPhillips等7家石油公司共同成立先进能源财团（AEC），开始对纳米传感器进行研究。目前，在石油炼制领域，纳米催化技术已得到广泛应用，石油勘探领域也不甘落后正在积极探索。国外学者曾设想将大批量纳米机器人随注入液进入藏油层，在驱替过程（非湿相驱替湿相，简单说就是以其他物质如CO2等，将石油驱离油层。以海水驱替淡水的过程也可以称驱替过程）中，运用纳米机器人分析油藏压力、温度、流体类型等，并依据之绘制出油藏图。2010 年 6 月，沙特阿美在 Arab-D 地层中注入了纳米机器人，获得初步成功，这被视为采油纳米机器人应用有了突破性进展，纳米机器人已成为未来采油工程的发展方向。
　　采油工程意义上的纳米机器人明显超越了石油采收机。传统采油机只是一个机械系统，而石油纳米机器人则是机械系统与化学分子系统的有机结合体。新的机器人不再满足于采收，它增加了了解井间基质、裂隙和流体性质，以及与油气生产相关的其他功能。能够测量储量、报告油藏环境，最突出的特质是，可以作用于油藏环境，甚至改变油藏性质，为高产奠定基础蓝图。具体说，运用纳米机器人可以辅助圈定油藏范围，绘制裂隙和断层图形，识别和确定高渗通道，识别油藏中被遗漏的油气，优化井位设计和建立更有效的地质模型，从而大大减少石油勘探的工作量。纳米机器人将聚合物、表面活性剂、微生物等驱替剂送入油层进行驱油作业，已是可见的方向。
　　但诸多挑战，必须应对。如何在油层部署纳米机器人？如采取什么样的方式可以有效地将纳米机器人送入油层、纳米机器人在油层中如何动作、匹配工作任务的动力源怎么解决、如何保证纳米机器人的安全并顺利回收等。
　　解决部署问题之后，如何对其进行遥测和定位。又如何实时从大批量纳米机器人中完成通信和采集数据？单个和大批量纳米机器人如何进行空间定位，并相互协作？
　　固定油层的储量较为容易判断，那么如何探测渗流通道以外的油气资源？纳米机器人的探测深度如何决定或根据什么决定？实时探测到的数据如何读取？读取之后，又如何有效处理、分析和应用这些数据？
　　目前，全球的油气采收率平均只有 30% 左右，现有的开采技术遗留有70%左右的石油在井下。挑战还在于，纳米机器人能达到多大的采收率，能不能接近百分之百？
　　石油纳米机器人的应用值得期待，其在储层改造、清蜡降黏、油层解堵、原油驱替、污水处理等方面的突破，就在不远的将来。
　　纳米机器人的发展方向与挑战
　　当前阶段的纳米机器人非要列出代际属性的话，就属于第一代。它是生物与机械两个系统的结合体，更多指向可以进入人体血管，进行健康检查和疾病治疗的纳米机器人。
　　既然有代际的区别，就要有实质的变化。第二代纳米机器人可以直接由原子或分子装配成具有某种特定功能的分子装置，并能够执行复杂的纳米级任务。
　　第三代納米机器人则是强人工智能与纳米计算机的结合体，与每个个体的人相加，以进行人机对话或人机协同的智能设备，成为生活必需品。
　　思考并不能代替实践。纳米机器人迭代升级的实践中，面临着诸多挑战，如传感器新材料的进步如何推动纳米治疗及病毒检测能力的提升;在IT方面，如何提高定位的精度;在芯片制造上，高频率芯片的设计如何提升纳米机器人的整体性能等。
　　更困难的是对纳米机器人的实际需求增长，所带来的诸多挑战。如功能多样化的挑战，就要求纳米机器人将感知、驱动和智能集于一身，并具备良好的信息反馈机制。具体到医疗纳米机器人，大多数仍停留在实验室，亟须从科学研究跨越到临床应用。为达到更好的应用，纳米机器人需要考虑建立全新的能量转换机制，包括更加鲁棒化（Robust的音译，意为强壮或强大）的无线驱动和更加简便的控制方法以及更合理的装配技术。
　　基于纳米机器人工作环境的特殊性，又要求更适应环境的创新型材料。目前，纳米机器人的工作方式，多为单兵作战，未来则需要更加精准的集群控制，这是最大的挑战。不能控制，就意味着不能完成工作目标。在大尺度物理世界，一般来说动摩擦和静摩擦的值是固定的，加速度会产生很大的冲击力。同样质量比例的冲击力，是纳米尺度难以承受的。方法就是通过仿真壁虎或细菌的边毛，做到动摩擦很大而静摩擦却很小，从而消解冲击力。
　　纳米机器人的发展前景
　　未来纳米机器人将广泛应用于不同领域。
　　在医疗领域，医用纳米机器人会将人脑和云脑（云计算系统）连接起来，或者成为脑机接口的重要应用方向，最终目的是提高人类智力和延长人类寿命。甚至有人将之视为未来长生不老的解决途径。
　　在军事领域，通过仿生学技术赋予纳米机器人昆虫、鸟类等小型动物的能力或多物种混合能力，不仅充当侦察与情报收集工具，而且可以作为防不胜防的进攻利器。
　　在环保领域，治污防污纳米机器人将被大批量投放到污染环境中，通过传感器和设定的清洁程序分解污染源，有效解决水、气污染问题。
　　在工业领域，纳米机器人被用于制作微米级以及纳米级芯片，从而减少电子产品的体积，不仅使电子产品变得更微小，而且由于新材料的应用使产品具备自愈或者自修复功能。让人窥见未来类人机器人的巨大可能性。
　　由此，人类将进入新的时代——纳米机器人时代。人类的工作方式和生活方式也将发生全新的变革，那是创新驱动为本体的时代。
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