作者：圓的方塊
編輯：Yuki
“納米機(jī)器人”是電影和科幻小說中的常客，一次又一次閃耀登場(chǎng)施展絕技。在許多人的印象中，它們就是縮小無數(shù)倍的變形金剛。
以“納米機(jī)器人”為關(guān)鍵詞，出現(xiàn)的搜索結(jié)果，畫風(fēng)都是醬嬸的：
“史詩(shī)級(jí)”“劃時(shí)代”“科技革命”，加持在“納米機(jī)器人”上的這么多名號(hào)，到底幾分真實(shí)，幾分噱頭？現(xiàn)實(shí)與科幻到底有多少差距？
為了解答這些疑問，今天我們就聊聊納米級(jí)機(jī)器人的“真身”！
納米機(jī)器人是啥？要怎么造？
關(guān)于納米機(jī)器人，最初是從“尺寸”的角度進(jìn)行定義：“在0.1-10微米之內(nèi)的微型機(jī)器”。
后來，科學(xué)家們將這個(gè)概念進(jìn)行了延伸，從“功能性”上將納米機(jī)器人定義為“對(duì)納米級(jí)物體進(jìn)行操作的機(jī)器”。
無論如何定義，制造納米機(jī)器人是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。
首先，我們需要一些小零件——相當(dāng)小，可能只有發(fā)絲直徑的千分之一。
2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位從事“設(shè)計(jì)分子機(jī)器”的學(xué)者。他們的主要工作就是使用化學(xué)合成法，做出了很多分子級(jí)零件，比如開關(guān)、泵和軸[1]。
化學(xué)方法可以合成一系列分子級(jí)別零件：一個(gè)典型的納米開關(guān)示意圖，通過改變pH可以控制特定的分子進(jìn)行移動(dòng) | 參考文獻(xiàn)[1]
還有一些硬科技，可以用來造納米零件，比如光刻技術(shù)。
光刻技術(shù)主要用于制造芯片，是人類掌握的少數(shù)幾種可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的加工技術(shù)。美國(guó)加州理工學(xué)院科學(xué)家們采用光刻技術(shù)可以造出分辨率為25-100納米的復(fù)雜三維金屬幾何圖形[2]。2019年，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開發(fā)了一種“飛秒投影雙光子光刻”技術(shù)，可以將傳統(tǒng)技術(shù)的加工速度提升1000倍，只需要8分20秒就可以打印出一個(gè)芝麻大小的微納結(jié)構(gòu)，加工精度保持在納米級(jí)別[3]。
通過飛秒投影雙光子光刻技術(shù)制造的復(fù)雜三維微觀結(jié)構(gòu) | 參考文獻(xiàn)[3]
無論是化學(xué)法或光刻法，制造出來的是納米零件，這些零件需要進(jìn)一步組裝成機(jī)器人。如何實(shí)現(xiàn)微觀尺度的組裝，是“納米機(jī)器人”研究的另一難關(guān)。
早在上世紀(jì)80年代，人們就實(shí)現(xiàn)了對(duì)單原子的控制。2005年，中國(guó)科學(xué)院成功將一個(gè)4微米長(zhǎng)、100納米粗的碳納米管，準(zhǔn)確地移動(dòng)到了一個(gè)刻好的溝槽里[4]。然而，如何大規(guī)模進(jìn)行納米組裝仍是問題。
2015年，法國(guó)國(guó)家科學(xué)院的一個(gè)研究小組，成功合成了一種長(zhǎng)長(zhǎng)的聚合鏈，通過超分子鍵把成千上萬的納米機(jī)器結(jié)合在一起，每個(gè)納米機(jī)器都能產(chǎn)生約1納米的線性伸縮運(yùn)動(dòng)。積少成多，這數(shù)萬個(gè)小納米機(jī)器的運(yùn)動(dòng)整合起來，可以使聚合鏈產(chǎn)生10微米的收縮舒張，就像肌肉組織中那樣[5]。
積少成多：上萬個(gè)納米零件的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，可以產(chǎn)生大尺度的變化 | 參考文獻(xiàn)[5]
即便如此，這些研究也只是實(shí)現(xiàn)了“納米零件”的簡(jiǎn)單聚合，真想要裝配出電影中那種微如針尖的萬能機(jī)器，人類還有很多路要走。
如何讓納米機(jī)器人動(dòng)起來？
除了怎么“做出來”，還有一個(gè)關(guān)鍵問題，是如何讓納米機(jī)器人 “動(dòng)起來”？
最直接的方式就是裝個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家們?cè)斐隽似袷澜缟献钚?、最快的微型發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)比一粒鹽要小500倍，能把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，速度可以達(dá)到每分鐘18000轉(zhuǎn)，相當(dāng)于噴氣式飛機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且能連續(xù)旋轉(zhuǎn)15小時(shí)[8]。
納米發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖 | 參考文獻(xiàn)[8]
不過，別被這種高大上的宣傳圖騙到。實(shí)際上，這種納米發(fā)動(dòng)機(jī)只不過是一種成分為金、鎳的納米線，可以在電場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)。指望它能帶動(dòng)機(jī)器人，為時(shí)尚早。
納米發(fā)動(dòng)機(jī)的真身不過是一個(gè)納米線 | 參考文獻(xiàn) [8]
除了用電場(chǎng)，還能用磁場(chǎng)。來自MIT的科學(xué)家們借鑒了細(xì)菌鞭毛的模樣，用3D打印技術(shù)造出了只有細(xì)胞大小螺旋狀機(jī)器人，并稱其為“人造細(xì)菌鞭毛”。這種螺旋形狀可以幫助機(jī)器人更好地在血液中移動(dòng)。之后他們?cè)跈C(jī)器人的表面涂上了鎳鈦雙涂層，使其具有磁性。他們能夠通過外部磁場(chǎng)控制，人造細(xì)菌鞭毛的行動(dòng)路線，使其在如同血管的通道中旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)[9]。
也有學(xué)者腦洞大開，想到從能運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞那里“借力”。德國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用鈦-鐵納米薄膜做出了一種空心管，之后他們控制精子鉆到管子里，從而做出了一種精子驅(qū)動(dòng)的納米機(jī)器。因?yàn)榧{米空心管的獨(dú)特機(jī)構(gòu)，精子的頭會(huì)卡在里面，而尾巴仍然暴漏在外面。通過改變溫度等條件，可以控制精子的移動(dòng)路線和速度，從而控制這個(gè)“精子機(jī)器人”[10]。
精子鉆進(jìn)納米小管里，作為動(dòng)力源 | 參考文獻(xiàn)[10]
研究者用的是牛精子。在宏觀世界里，牛就可以用于拉車。萬萬沒想到，微觀世界里，它們的精子還要做“納米界的牛車”。
目前的納米機(jī)器人能干什么？
納米機(jī)器人最終目的，就是改善我們?nèi)祟愖陨怼?/span>
在2014年的影片《超驗(yàn)駭客》（Transcendence）中，男主角利用納米機(jī)器人修復(fù)了自己重病的身體。2015年，谷歌技術(shù)總監(jiān)雷·庫(kù)茲韋爾（Ray Kurzweil）也曾提出一個(gè)觀點(diǎn)：“2020年，人類的免疫系統(tǒng)將由納米機(jī)器人進(jìn)行接管；2030年，納米機(jī)器人可以修正病原體，腫瘤等一系列免疫系統(tǒng)問題”。
不過，2020年近在眼前，目前來看這個(gè)時(shí)間表并不準(zhǔn)確。電影中“一針靈治百病”式的納米機(jī)器人也沒有出現(xiàn)。
從血液到胃酸，如何讓納米機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜的體液環(huán)境？在錯(cuò)綜復(fù)雜的血管中，怎么定位或驅(qū)動(dòng)如塵埃般大小的納米機(jī)器人？在數(shù)百萬的細(xì)胞中，怎樣讓納米機(jī)器人識(shí)別出患病的那個(gè)？誠(chéng)然，疾病治療是納米機(jī)器人最重要、也是投入最多的研究方向，但實(shí)際中的重重困難讓這個(gè)領(lǐng)域步履蹣跚。
當(dāng)然，技術(shù)的進(jìn)步給這些問題提供了一些可能的解決方案。2019年，加州理工學(xué)院的科學(xué)家們把納米機(jī)器人放在一個(gè)膠囊里并注射進(jìn)生物體內(nèi)。這層膠囊可以防止納米機(jī)器人被胃酸等體液破壞。
隨后，他們利用一種名為“光聲斷層掃描技術(shù)”在體外對(duì)這些納米機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)時(shí)定位。當(dāng)機(jī)器人膠囊抵達(dá)病患區(qū)域時(shí)，可以用外源近紅外光穿過人體組織，引發(fā)膠囊破裂從而釋放納米機(jī)器人，這些機(jī)器人在病患區(qū)域的停留并釋放藥物。此外，也可以把能識(shí)別癌細(xì)胞的特定蛋白質(zhì)修飾在納米機(jī)器人上。注入體內(nèi)之后，這些蛋白質(zhì)可以作為“眼睛”，讓納米機(jī)器人分辨出癌細(xì)胞，以進(jìn)行精確打擊。
不過，這些研究都是在動(dòng)物身上進(jìn)行的。截至目前，市面上還沒有真正成熟的納米機(jī)器人醫(yī)療產(chǎn)品。
雖然還不能指望納米機(jī)器人“治病救人”，不過，人們還是從納米機(jī)器人身上找點(diǎn)樂子。
2017年，來自三大洲的6支隊(duì)伍在法國(guó)南部進(jìn)行了一場(chǎng)納米車大賽[12][14]。賽道由黃金制成的，全長(zhǎng)100nm。參賽者將駕駛單個(gè)分子進(jìn)行比賽。全程使用掃描隧道顯微鏡等特殊設(shè)備產(chǎn)生電流，“推動(dòng)”納米小車前進(jìn)。最后美國(guó)-奧地利聯(lián)隊(duì)以每小時(shí)35納米取得了冠軍。
首屆納米車大賽參賽的“納米車”示意圖 | foresight.org
當(dāng)然，這些到底是不是“車”，你也可以持保留意見的，但這場(chǎng)賽事背后的意義遠(yuǎn)不只“找樂子“這么簡(jiǎn)單。納米車大賽實(shí)際上是挑戰(zhàn)了人類對(duì)單分子的極限操控能力。科學(xué)家們也想借此引起人們對(duì)納米機(jī)器的關(guān)注，他們甚至和國(guó)際汽聯(lián)簽署了合作協(xié)議來推動(dòng)納米車大賽的發(fā)展。
對(duì)于“納米機(jī)器人”，雖然我們目前能看到的成品十分簡(jiǎn)單，有些甚至只能算是一些“納米的小零件”。也許，將來的一天，生病的你來到醫(yī)院，醫(yī)生開出的方子上會(huì)寫著：“注射5毫升納米機(jī)器人，多喝熱水”。
未來并不遙遠(yuǎn)，但也沒那么近。希望技術(shù)的快速迭代，能早日讓納米機(jī)器人造福人類。
作者名片
排版：Yao
題圖來源： Polytechnique Montréal
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