從科學(xué)幻想

 

　　走進現(xiàn)實世界

 

　　1987年，在美國上映的科幻大片《驚異大奇航》中，這樣一個情節(jié)令人印象深刻——科學(xué)家把變微小的人和飛船注射進人體，讓這些縮小的“參觀者”直接觀看到人體各個器官的組織和運行情況。

 

　　這是人類關(guān)于納米機器人最早的猜想。“納米機器人”的概念是由諾貝爾物理學(xué)獎得主理查德·費曼提出的，他認為，人類未來有可能建造一種分子大小的微型機器，可以把分子甚至單個原子作為建筑構(gòu)件，在非常細小的空間里構(gòu)建物質(zhì)。

 

　　“廣義上來講，只要在納米尺度能夠進行運動和操作的系統(tǒng)都可以叫做納米機器人。”北京理工大學(xué)機電學(xué)院智能機器人研究所研究人員王化平指出，第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體；第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置；第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。當前納米機器人的研發(fā)工作已從第一代發(fā)展到了第二代，而第三代目前還處于設(shè)想階段。

 

　　極限環(huán)境，是納米機器人“施展才華”最重要的舞臺。比如在高真空、高壓狀態(tài)下的精密操作與機電組裝，在人體內(nèi)部精密組織中的定點藥物投送、靶向治療，以及在強酸、強堿、輻射、有毒環(huán)境下的高危作業(yè)等。

 

　　“納米機器人的研究每向前推進一步，都要克服重重困難。”王化平分析說，納米機器人是高度集成的系統(tǒng)，要求具備驅(qū)動單元、控制單元、傳感單元，同時針對不同功能需要具備對應(yīng)的工作單元，如靶向治療時需要的藥物儲存和投送單元等。從現(xiàn)階段來講，受工業(yè)水平限制，納米機器人在驅(qū)動、控制、傳感反饋等方面都存在研究瓶頸。

 

　　“盡管如此，納米機器人無疑是納米生物學(xué)中最具誘惑力的內(nèi)容。近年來，國際國內(nèi)也取得了很多研究成果。”王化平說。

 

　　2010年，美國科學(xué)家研制出一種DNA構(gòu)成的納米蜘蛛機器人，他們只有4納米長，比人類頭發(fā)直徑的十萬分之一還要小，這些機器人可以按照DNA的軌跡實現(xiàn)啟動、移動、轉(zhuǎn)向和停止等功能，科學(xué)家可以通過編程來辨別癌細胞并且控制納米蜘蛛殺死癌細胞。驅(qū)動系統(tǒng)是納米機器人“身體”中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，英國劍橋大學(xué)科學(xué)家近日研制出迄今全球最小的納米發(fā)動機“螞蟻”，它采用光驅(qū)動，未來可應(yīng)用在水中導(dǎo)航裝置、環(huán)境感應(yīng)器及在人體內(nèi)工作的機器人上。

 

　　未來人類的體內(nèi)醫(yī)生

 

　　想像一下，當你感冒時，不用再打針吃藥，醫(yī)生只需在你血液里植入納米機器人，機器人在體內(nèi)探測出病毒源頭，并到達病毒所在處“消滅”它……

 

　　“這并非天方夜譚。讓納米機器人進入人體進行血管探測、去除癌變細胞、進行定點給藥，一直是科學(xué)家們研究的重點。”王化平指出，現(xiàn)在，有許多病情是外科醫(yī)生用手術(shù)刀解決不了的，比如病源可能僅僅是一個病變細胞，此時，外科醫(yī)生的手術(shù)刀根本派不上用場，用藥物治療又會對患者的整個身體產(chǎn)生損傷，納米機器人“醫(yī)生”便有了用武之地。

 

　　按照科學(xué)家的設(shè)想，醫(yī)生只需將載有數(shù)以萬計的納米機器人的藥液注入病人的血管，有導(dǎo)航作用的納米機器人會沿路線到達指定位置，然后開展手術(shù)作業(yè)，完成治療后，再沿著人體的消化道排出體外。“這種治療對人體沒有損傷，沒有傳統(tǒng)手術(shù)后的疤痕，副作用很小。若能實現(xiàn)，將是醫(yī)學(xué)史上里程碑式的巨作。”王化平評價。

 

　　夢想并非遙不可及。美國科學(xué)家研制的納米蜘蛛機器人，實驗證明可以找到并殺死癌細胞；我國中科院沈陽自動化研究所研制的微納米操作機器人系統(tǒng)，可在納米尺度上切割細胞染色體；我國重慶某研究所研制的“OMOM膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)”，可以鉆進人的肚子，把人體內(nèi)的圖像傳到電腦屏幕上……

 

　　但迄今為止，納米機器人技術(shù)依然停留在研發(fā)試驗階段，一些技術(shù)障礙還有破待解。“阻礙主要在于納米機器人進入人體后的運動控制，具體來講包括‘導(dǎo)航’、‘驅(qū)動’和‘運動規(guī)劃’。”王化平指出，由于納米機器人體積很小，難以集成視覺系統(tǒng)、實時信息回傳系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，所以難以讓操作人員獲取實時的導(dǎo)航反饋信息。同樣，難以集成長期工作的驅(qū)動單元，現(xiàn)階段的納米機器人主要依靠自驅(qū)動原理，即通過人體內(nèi)部體液參與的化學(xué)反應(yīng)等來提供機器人在人體內(nèi)部運動所需的能量和驅(qū)動力。最后，由于人體內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，在血管內(nèi)的納米機器人受到血液阻力等影響，同時缺乏實時反饋信息，運動規(guī)劃也不容易實現(xiàn)。

 

　　盡管如此，許多工程師、科學(xué)家和醫(yī)生都認為，未來幾年內(nèi)，納米機器人將會帶來一場醫(yī)學(xué)革命，“體內(nèi)醫(yī)生”將在抗癌、去除血塊、清潔傷口、治療痛風(fēng)、粉碎結(jié)石等方面釋放出巨大的潛力。

 

　　當然，納米機器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的價值并不僅僅體現(xiàn)為終結(jié)疾病。科學(xué)家已在探索如何將其運用在人類生理機能的提升方面。納米技術(shù)的前驅(qū)羅伯特·弗雷塔斯設(shè)計出一款納米機器人，它可以攜帶90億個氧分子與二氧化碳分子，為一般紅血球攜帶量的200倍，這一發(fā)明，使得人類在跑步時，得以全力沖刺15分鐘而并不感到疲憊。就像肌肉組織被納米機器人拆分并重組，以提供人類超強耐力一樣，在微觀層面上，近視與牙齒也可以得到矯正與改善。

 

　　谷歌未來學(xué)家科茲威爾則提出了更加大膽的設(shè)想。他說，到2030年，納米機器人將可以借助無創(chuàng)的方式進入人類大腦，與我們的新皮質(zhì)相連，就像云計算一樣，這樣一來，人類將變得更聰明、更幽默。此外，納米機器人還可以充當免疫系統(tǒng)，糾正DNA錯誤、逆轉(zhuǎn)衰老過程，甚至使人類實現(xiàn)永生。

 

　　“這些想法聽起來很瘋狂，但事實上，無數(shù)科研人員正奮戰(zhàn)在實驗室里，納米機器人成為‘體內(nèi)醫(yī)生’指日可待。”王化平說。

 

　　納米機器人的廣闊舞臺

 

　　進入21世紀，科技發(fā)展如火如荼，軍事變革風(fēng)起云涌。各國的軍事專家普遍認為，納米機器人將決定21世紀戰(zhàn)爭的面貌和進程。

 

　　“納米機器人有著非常重要的軍事價值。人們可以通過仿生學(xué)技術(shù)將納米機器人的外形改造成昆蟲、鳥類等小型生物的外觀，充當偵察工具，進而收集重要情報。”王化平說，隨著科技發(fā)展，納米機器人可以做得非常小，達到“納米塵埃”的狀態(tài)，這樣可以通過無人機將這些數(shù)以百萬計的納米機器人投放到敵人的陣營中，從而獲得珍貴的情報資源，為戰(zhàn)爭勝利奠定基礎(chǔ)。比如美國的“蜂鳥”機器人，做得非常逼真，通過其自帶的傳感器，可以完成偵察兵的任務(wù)。

 

　　此外，還可以研發(fā)出能堵住人臉、鼻、口、眼的納米微型組件，或能粘住手、腳的納米微型組件等。另外，對現(xiàn)有的化學(xué)和生物體進行改造或研發(fā)出新型的化學(xué)或生物體，把這些化學(xué)或生物體傳播到敵國之中，將產(chǎn)生巨大的殺傷力。

 

　　“納米機器人應(yīng)用到軍事中的優(yōu)勢主要在于它的尺度效應(yīng)。比如，將合成彈藥的材料封裝到碳納米管等納米級別的器件中，并由納米機器人運載投送，不易被發(fā)現(xiàn)且威力巨大。”王化平說。

 

　　除了軍事領(lǐng)域，納米機器人在人類發(fā)展的很多領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛?mdash;—

 

　　將大量納米機器人放入污染水源中，通過設(shè)計好的傳感器和程序讓納米機器人將污染源分解掉，就能解決河流污染問題。當發(fā)生石油泄漏，若要徹底根除污染，需要耗費大量的人力、物力、財力，但對納米機器人而言，它們可以以百萬為單位同時進行過濾清潔作業(yè)，并且能夠以最快速度清除每一個污染物分子。在霧霾的城市或存在化學(xué)污染的工廠，將納米機器人投入到大氣中，污染物便很容易被其分解…… “納米機器人應(yīng)用前景很廣，但因為納米機器人是一個高度集成的系統(tǒng)，需要工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域的水平同時進步以后才能有突破性的進展，所以目前該領(lǐng)域可以說仍處于朝氣蓬勃、不斷成長的‘青年’階段。”王化平認為。