纳米机器人的现状与发展

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摘要 机器人是一种可编程的、能执行某些操作或移动动作的自动控制机械。随着电子技术、计算机技术和控制技术等的快速发展，近二十多年来，机器人开始被广泛应用于军事、航天、工业、农业和医学等领域，发挥着越来越重要的作用。
【关键词】纳米机器人 基本结构 研究
1 纳米机器人综述
近几年来，随着相关技术与设备的突飞猛进，微纳领域科学与技术的研究非常活跃，使得相关电子器件不断小型化，并推动了微机电系统（MEMS）领域的迅速发展，从而大大促进了医用机器人的微型化，精密化，为实现可以在人体内部环境下工作的微型机器人莫定了基础。
简单地来讲，纳米机器人就是纳米级或分子级可控的机器，由纳米部件组成，通过发挥自身在尺寸上的优势，实现特定的功能。尽管由于在规模和材料上的差异，纳米机器人的原理与构成和宏观机器人有着诸多差异，但二者在设计和控制技术上却有着许多相似之处，包括具有类似功能的传感器、驱动器，以及为提高工作精度所采取的闭环控制策略。因此，在纳米机器人的研究过程中，我们可以利用宏观机器人的相关知识进行设计与分析。
2 纳米机器人的基本结构
随着纳米科技的发展以及在制造，计算，传感器以及控制技术上的新技术新方法的不断涌现，纳米机器人的制造和控制已经成为了可能。考虑到未来纳米机器人所工作的主要环境（人体内）的复杂状况，纳米机器人的制造需要借助于超大規模集成电路（VLSI）以及纳米科技上的最先进技术，在纳米机器人内部的微小结构中实现包含数据上传输接收、传感器以及能源供给等多种功能的集成电路。集成后的纳米电子电路可以实现数字与模拟信号的读取与处理，并实现与其他机器人及外界控制装置的通讯。
下面，我们将从几个方面，介绍一下纳米机器人的各个组成部分，以及各部分功能的实现原理。
2.1 VLSI及纳米电子电路
纳米机器人的核心之一无疑是其内部的纳米级电路。近年来，随着纳米电子领域的进步，相关的电路工作和数据传输的能耗下降了60%，使得一直以来困扰纳米电子器件得到了一定程度的缓解，从而为纳米电路的大规模应用铺平了道路。
2.2 化学传感器
对用于疾病检测领域的纳米机器人来说，实现对人体内部某些特定结构的生物大分子的检测是十分重要的。这可以帮助医生在疾病的早期阶段就确诊疾病，从而有针对性地制定治疗方案，显著提升疾病的治愈率。而用于生物大分子探测的纳米化学传感器可以有效实现这一功能。
2.3 温度传感器
在病人的体内组织发生病变时，病变部位的温度会发生显著的变化，因此，基于纳米电路的温度传感器在人体内部环境的温度检测中有着潜在的应用。配备了温度传感器的纳米机器人可以为识别确定患病部位，并为药物的精准运输提供指引。
2.4 驱动器
根据应用场合的不同，纳米机器人的驱动器大致可以分为以下几种：电磁式、压电式、静电式和热电式。而随着生物技术的发展，基于仿生学原理的鞭毛状驱动器和ATP驱动的生物分子马达也被认为有着一定的应用价值。近年来，分子级别驱动器（“分子马达”）的研究领域有了突破性的进展，在这一领域作出突出贡献的三位科学家也因此获得了2016年度的诺贝尔化学奖。
近年来，在人工组装的分子机械领域已取得了较大的进步。人们已经可以较为精确地将分子放置到指定的位置，并利用原子之间的化学键执行旋转等一系列运动。但由于我们对于分子机械工作原理的了解还十分有限，在分子机械的力学和运动特征上的研究还处在入门阶段，还没有能够实现对分子机械的定量分析，并实现设计可以执行准确动作的分子机械。
2.5 供能装置
对于一个在人体内部执行复杂任务的医用纳米机器人来说，为实现在人体内部长时间高效率的运转，就需要一个清洁可控并能连续运行的能源供给装置。由于纳米机器人内部的空间有限，且纳米机器人的运行环境较为特殊，因此需要外界电源通过无线供电手段进行小功率连续供电。
2.6 数据传输
在深入人体的纳米机器人上植入微型传感器可以感知病人的环境的细微变化，为制定更加有效的治疗方案提供保证。但有一个问题也随之而来，那就是如何与人体内部的纳米机器人建立通讯，得到体内传感器所接收到的信号。如果需要将纳米机器人移出体外进行读取，不仅会造成不必要的拖延，贻误治疗时机，同时还需要在机器人上安装数据存储装置，压缩其内部本就有限的空间。因此，在机器人上安装数据传输装置，实现随时随地的数据读取和接收，就成了自然而然的选择。
3 纳米机器人的应用
由于纳米机器人的独特功能，使得它深入到人体内，为病人提供全新的治疗方案。因此，将纳米机器人应用到治疗领域被认为是医学发展历史上的一次重大进步。近年来，在生物分子计算和纳米电子领域的进步，为纳米级别处理器的出现提供了基础。而在其他方面，纳米级别的生物与化学传感器，以及纳米机器人的动力系统的研究，也在近年来取得了一定进步。由于纳米机器人自身的微小尺寸，这项技术被认为在如下几个方面具有广阔的应用前景，一是通过识别人体内部的一些化学信号的变化，在一些重大疾病的早期阶段进行诊断，并在病情恶化之前提供更加有效的治疗方案，从以较低的治疗成本根除相应的疾病;或是利用自身的微小尺寸，深入到患者体内，进行微创手术或是将药物分子或免疫细胞传送到指定位置，以辅助治疗与免疫过程的进行。纳米机器人在这两方面的应用，可以为患者提供更加个性化的治疗方案，并利用自身的微小尺寸深入到细胞内部，帮助医学研究者从分子层面上实现对疾病的认识。下面，我们将从几个方面简要谈一谈纳米机器人在医学领域的应用前景。
3.1 纳米牙医学
传统的牙科治疗过程往往需要在患者的病上进行修补，或是直接将其替换为假牙，整个过程不仅痛苦，而且修复后的牙齿与天然牙齿在材料上存在一定的差异，对整体的美观度有着一定的负面影响。而纳米机器人可以在不产生痛觉的情况下对牙齿组织进行修补，或调整牙齿的不规则排列，并在治疗过程中提升牙齿的耐久性，因此在牙科领域有着广阔的应用前景。在纳米牙医学技术中，纳米机器人可以通过分子级别的物质组装，更换包括外部的牙釉质以及内部的细胞组织在内的牙齿各部分组织，甚至在此基础上实现对于整个牙齿的更换。
3.2 基因疗法
纳米机器人自身微小的结构特征是它得天独厚的优势，使它可以深入到细胞内部，实现对细胞内生物大分子结构特征的检测和修饰。这为深入患者细胞核内部，直接修改患病基因的基因疗法的实现奠定了基础。
3.3 体内运输
由于纳米机器人自身的特殊性质以及微小尺寸，它在药物运输领域拥有巨大潜力，被认为能实现将药物分子直接通过循环系统运输到患病组织的功能。这在减少用药量、提高治疗效率的同时，也能够减少药物的毒副作用以及随之而来的对健康细胞的损害，这被认为在癌症的化学疗法中有着广阔的发展前景。
3.4 疾病检测
深入人体各关键部位，对化学信号的变化进行监测，是纳米机器人在医疗领域的另一项重要应用。随血液系统在人体内部循环的纳米机器人可以在不抽血的情况下被用于检测糖尿病人体内的血糖浓度，或是检测某些关键化学物质的细微变化，及早发现某些重大疾病的先兆。
4 纳米机器人领域前沿科技
作为一个尚处于发展阶段初期的领域，在纳米机器人领域中的研究中仍然有许多的工作有待完成。但与宏观的机器人相类似，作为一个多学科交叉的研究领域，在相关学科包括计算机科学、电子科学和纳米科学等领域中的进步，同样会推动在纳米机器人领域的进步。下面，我们将选择深度学习与微纳探测和加工技术两个方面.来谈一谈现阶段在纳米机器人领域的研究进展。
4.1 深度学习在纳米传感器中的应用
由于纳米机器人的微小尺寸所限，安装在纳米机器人上的传感器通常只能检测单个分子量级的信号，同时由于傳感器的工作环境通常是密度较高的液体环境，因此在检测过程中将会产生规模庞大的数据流。这些数据流通常是将化学信号转化为电流、电导率等参数的变化，是一个一维随时间变化的信号。通常认为对这一类数据的分析是很有难度的，这不仅是因为数据量的庞大，同时也因为我们对于所处理信号的特征的了解程度有限，缺乏可供识别提取的明显特征，而工作在液体环境中的化学传感器需要接受大量噪声信号，输出得到的信噪比较低，因此在信号处理过程中，我们通常需要借助一些特殊的数据处理方法，以提取得到有用信息，用于之后进一步的应用。
4.2 微纳测量加工设备在纳米级别自动化装配领域中的应用
前文中我们已经提到，在纳米机器人的研究过程中，由于我们在纳米电子器件设计等领域仍然存在着诸多的障碍，距离完全由人工制造的纳米机器人的问世仍有待时日。但现在，人们已经可以借助一些微纳测量和加工设备，包括原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）等一窥纳米世界的奥秘，制造一些纳米尺度的复杂器件，这无疑为纳米机器人的最终实现打下了坚实的基础。
制造纳米级别的器件通常有如下三条途径：从上往下型，包括电子束刻蚀以及光刻蚀;从下往上型，包括自我组装和化学合成，通过物理定律的作用将势能降到最低。这些技术可以直接通过组装分子原子得到所需要的器件，但在目前，将原子放置到指定位置以调整器件性能的工作无疑是非常困难的。而最后一条途径，即纳米级别的自动化控制，可以为纳米级别的元器件组装提供精准的定位和灵活的控制，因此被认为是纳米器件制造中最有希望的途径，同时也是近年来相关领域的研究热点之一。
第一种被用于纳米装配的器件是扫描隧道显微镜（STM），它可以让人们以高分辨率观察和定位单个原子，但由于它自身的工作原理所限，在使用过程中要求探针和被加工物体均为导体，因此无法满足大多数场合中的需要;原子力显微镜（AFM）是一种可以实现亚纳米级别图像显示和操作的工具，同时也可以完成对不同环境和不同材料的加工，用途更为广泛。但这一工具存在一个缺陷，就是在现阶段完成一次AFM的扫描过程至少需要消耗数分钟的时间，无法实现对于操作区域的实时显示。而这种“一动一扫描”的工作方式，无疑将极大地延长加工时间，从而限制了AFM微纳加工方法的适用范围。穿透式电子显微镜（TEM）则是通过发射高能电子束穿透样品来实现亚纳米级别的探测，但这一方法只能用于加工具有特定属性的样品，同时TEM内部有限的空间也将限制其加工复杂纳米形状的能力。而扫描电子显微镜（SEM）在纳米加工领域兼具了以上诸多设备的优点，并克服了其他设备的一些缺点，能够实时显示加工部位的图像，同时能够不受限制地加工复杂形状。因此，SEM技术被认为是在纳米级别装配中最有应用前景的技术。
5 纳米机器人的潜在危害
与任何一种技术一样，纳米机器人在为人们的生活带来巨大方便的同时，也为人类文明带来了一些潜在的挑战。由于自身庞大的数量和控制的复杂性，纳米机器人始终是一些科幻电影的常客。在一些灾难题材的科幻电影中，由失控的自我复制纳米机器人所构成的“灰雾”，是一种具有毁灭世界能力的武器。但电影终究是电影，除去一些科幻色彩浓厚的猜想，我们在下面将着重论述一下纳米机器人所可能带来的健康风险。
在纳米机器人技术的应用过程中，最突出的风险是用于制造纳米机器人的纳米颗粒的安全性问题。由于纳米材料的微小尺度所限，在当前实验条件下，我们无法想对宏观物质那样，对纳米材料的各方面性能进行测试。由于对所使用的纳米材料缺乏全面的了解，在纳米机器人制造过程中所使用的一些纳米材料可能会存在着潜在的毒性，危害人们的身体健康。某些纳米颗粒的毒性已经得到了一些研究团队的证明，并受到的科学家们特别关注。
纳米颗粒可以由一系列的材料制成，包括过渡金属、硅、碳、金属氧化物等。一般来说，纳米颗粒最可能进入人体的方式是通过呼吸道吸入直接进入肺部，另一种方法就是通过接触纳米颗粒，使之通过皮肤细胞进入人体。此外，通过消化道或其他方式进入人体，也是摄入纳米颗粒的一种可能方式。虽然人体对于纳米颗粒的进入设置了复杂的障碍，但考虑到随着纳米科技广泛应用所带来的大量无处不在的纳米颗粒，纳米颗粒会以不加区分的方式随意地暴露在自然环境中，我们无法确保有能力完全将纳米颗粒排除在人体以外，而一旦进入人体内，纳米颗粒就可能回味人体带来多种潜在的危害。运用纳米毒理学知识可以帮助我们对纳米颗粒毒性的研究，并帮助我们更好地提升处理纳米颗粒时的安全性。
在纳米颗粒的众多潜在危害中，最主要的一种就是纳米颗粒的不可溶解性。一些研究已经显示了人体内的纳米颗粒可以不受阻碍地进入到人体的健康细胞中，甚至可以通过血液循环系统进入到大脑中，并干扰健康细胞和组织的正常工作。这方面的风险对于那些需要在工作过程中接触纳米颗粒的人员来说最为严峻。因此，我们需要为这些工作人员提供相应的保护措施。
6 总结
本文从纳米机器人的结构、发展现状、应用前景和潜在问题等方面，对当前的纳米机器人研究领域进行了一个简要的概括，并在研究过程中对相关部分在功能实现中所使用的不同方法进行了列举和比较。作为一个尚处于发展阶段初期的领域，与纳米机器人领域相关的研究始终是国内外相关高校和科研院所所研究的热点，在近年来也多有重大成果出现。
参考文献
[1]杜文龙，刘建民，纳米机器人时代即将到来[J].科技导报，2014 （Zl）.
[2]平朝霞，纳米机器人的研究进展[J]，新材料产业，2012 （12）.