淺談納米機器人的特點分析和應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展前景

王玉山，孫 雪

（東北林業(yè)大學　機電工程學院，哈爾濱 150040）

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淺談納米機器人的特點分析和應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展前景

王玉山，孫 雪

（東北林業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱 150040）

摘 要：主要介紹國內(nèi)外納米機器人的特點和納米機器人的優(yōu)勢所在。通過分析其使用特點來了解納米機器人所實現(xiàn)的功能。分析了現(xiàn)在納米機器人市場的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景，說明納米機器人已經(jīng)逐步走進人們的視野，納米機器人的大規(guī)模應(yīng)用指日可待。

關(guān)鍵詞：納米機器人；優(yōu)勢；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展前景

0　引言

當今時代，科學技術(shù)日新月異，越來越多高精技術(shù)走進人們的視野。其中在微機電系統(tǒng)中有一類很重要的發(fā)明——納米機器人。科學家通過種種技術(shù)手段將智能機器人制成納米級尺寸的機器人來進行各種功能操作，其中在醫(yī)學方面，納米機器人在測試階段就已經(jīng)發(fā)揮其應(yīng)有的功能。通過納米機器人攜帶藥物和微型手術(shù)刀可以有效治療各種癥狀。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中也可以使用納米機器人進入敵人身體擴散導致其死亡。近年來隨著中國制造2025計劃的推進，作為機械新時代的產(chǎn)物，新型機器人——納米機器人有著更好的優(yōu)勢和發(fā)展前景。

1　納米機器人的特點分析

1.1納米機器人的概念

納米機器人屬于分子仿生學的范圍，以分子水平的生物學原理作為設(shè)計原型，在納米空間制作微型機器人。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，納米機器人的優(yōu)勢逐漸從各個方面體現(xiàn)出來。納米機器人應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、人民生活方面逐漸趨于實用化［1］。

1.2納米機器人設(shè)計分析

納米機器人的設(shè)計優(yōu)勢在于其微小，所以普通的制造方法是行不通的。我們需要能操作納米尺度的“手術(shù)刀”和可供“手術(shù)刀”操作的工作臺。我國中科院沈陽自動化研究所研制出了一臺“納米微操作”的機器人系統(tǒng)樣機，通過這個機器人我們可以實現(xiàn)在納米尺度上的操作，并且該機器人的重復定位精度很高，達到了30nm。在醫(yī)療方面，該機器人也實現(xiàn)了很多重大改進和突破，從而實現(xiàn)在人體內(nèi)對細胞和染色體的切割操作，并且可以通過該機器人直接從分子角度對DNA鏈進行檢查從而查出病理以及生病原因，實現(xiàn)醫(yī)療上的重大突破，即精確定位病理及手術(shù)無需開刀［2］。

納米機器人可以有許多構(gòu)造形式，其基本結(jié)構(gòu)是微型攝像機、有效載荷、電容器和用于游動的尾巴。像許多機器人一樣，納米機器人所要實現(xiàn)的功能決定了它的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)納米機器人都是根據(jù)仿生學的原理，模仿動物或某些細胞的結(jié)構(gòu)制成的。比如說，2010年5月，美國哥倫比亞大學、亞利桑那州立大學、加州理工學院等多數(shù)大學科學家組成的研究小組研制出一種由DNA構(gòu)成的納米蜘蛛機器人，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。這些納米蜘蛛機器人是通過程序控制的?？茖W家可以通過編程來辨別血管中的細胞是否存在癌細胞并且可以通過編程控制納米蜘蛛殺死癌細胞。納米蜘蛛的成功表明了人類可以通過納米蜘蛛在血管中殺死癌細胞［3］。

2　納米機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1國外納米機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

國外納米機器人大多采用了仿生學原理利用已知的生物或細胞結(jié)構(gòu)作為納米機器人的結(jié)構(gòu)骨架?，F(xiàn)在機械技術(shù)正在逐步與生物技術(shù)融合，納米機器人很好地體現(xiàn)了這一點。各國科學家通過不懈努力研究出了納米齒輪、納米馬達等納米機械，如果將他們組裝起來則可以得到納米汽車，現(xiàn)在可能達不到這種程度，但其具有很高的軍事潛在開發(fā)空間。

納米機器人的前提是分子馬達。美國和日本對分子馬達的研究均非?；馃帷Ｆ渲忻绹的螤柎髮W成功研制出了以ATP為能源物質(zhì)的分子馬達。其以金屬鎳作為齒輪，以高能分子三磷酸腺苷作為能源物質(zhì)，將該分子放入三磷酸腺苷溶液中以特殊酶促進ATP釋放能量從而帶動齒輪轉(zhuǎn)動，形成分子馬達。日本的分子馬達由兩個卟啉分子夾著納米金屬離子，組成可以自由控制轉(zhuǎn)速的分子馬達。這是兩種不同類型的分子馬達，其中由三磷酸腺苷帶動的分子馬達更具價值，動力更足。它實現(xiàn)了金屬離子和自帶能量分子的結(jié)合，這是一個了不起的組合［4］。

2006年，日本東京大學的科學家成功將兩個分子機器人組裝在一起，形成一個分子機器復合件，這個復合體像一把“鉗子”一樣，紫外線和可見光能夠為這個超微型分子機器人提供動力。該分子機器復合體受到不同光照射時會打開和收攏，就像一把可以打開、收攏的“鉗子”一樣，通過這兩種狀態(tài)，我們可以利用它殺死血管中的癌細胞。

德國研制出了一種自動化程度很高的納米直升機，很具軍事價值，可以實現(xiàn)正常飛機的多種功能，可以巡邏、檢測及引導導彈攻擊敵方軍隊［5］。

為了防止雙向調(diào)壓井內(nèi)水過快排空，可考慮關(guān)閉系統(tǒng)尾閥，但尾閥關(guān)閉過快，將導致尾閥進口產(chǎn)生較大的關(guān)閥水擊壓力，而且管線末端將出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，所以擬在事故停泵后，兩階段關(guān)閉尾閥。閥門特性曲線選用等百分比特性曲線。事故停泵30秒后開始動作，30～90 秒關(guān)閉 70%，90～390秒全部關(guān)閉。事故停泵后，泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律仍為兩階段關(guān)閥：0～11.7秒關(guān)80%，11.7～90秒全部關(guān)閉。

2.2OMOM納米膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)

OMOM膠囊內(nèi)鏡全稱為“OMOM膠囊消化道內(nèi)鏡系統(tǒng)”，它具有無痛苦，無創(chuàng)傷，檢查方便等特點，由我國重慶某科技公司自主研發(fā)，是Given Imaging 公司之后世界上第二個膠囊內(nèi)鏡。該系統(tǒng)可以完全檢查小腸，胃部存在的疾病，并且不影響患者的正常工作活動。該機器人的續(xù)航能力也超強，可以完全保證檢查完全，不存在檢查中該機器人就沒電的情況。它的續(xù)航能力是功能與其相類似的以色列產(chǎn)品的2倍左右。并且通過臨床實例統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)OMOM納米膠囊對小腸病變檢出率較高，從這里我們可以發(fā)現(xiàn)OMOM膠囊是一款很實用的科技產(chǎn)品［6］。

2.3國內(nèi)納米機器人現(xiàn)狀的總體概述

我國近幾年納米機器人技術(shù)得到長足發(fā)展，已經(jīng)開始制造分子馬達和納米微操作機器人［7］，并且逐步將這些機器人應(yīng)用于實際中?，F(xiàn)在已經(jīng)開始把納米機器人應(yīng)用在植物育種、林木育種之中，并且已經(jīng)取得可觀的成果。尤其是ATP馬達的生物傳感器，可以說已經(jīng)達到了先進水平。這些研究成果會逐漸應(yīng)用到實際之中，我們可以發(fā)現(xiàn)越來越多的納米機器人已經(jīng)開始用于醫(yī)療、育種和國防之中。

2.4納米機器人的軍事應(yīng)用

最先進的科技往往最先應(yīng)用于國防軍事之中。在軍事領(lǐng)域，納米機器人的出現(xiàn)，將大大提升軍隊作戰(zhàn)能力和防御能力。隨著納米機器人技術(shù)同生物技術(shù)的結(jié)合，我們可以設(shè)想將已經(jīng)編程好的納米機器人植入動物大腦之中，通過程序來控制動物身體進而完成一系列收集情報工作；也可以將植入在植物和動物體內(nèi)納米機器人大量繁殖，進而在無形之中散發(fā)有毒物質(zhì)，將納米機器人作為生物學武器來使用。同時，納米機器人更加有助于單兵作戰(zhàn)能力的提高，可以通過使用納米機器人提高普通武器的作戰(zhàn)威力，并且還可將納米機器人作為“保命膠囊”來使用，在士兵受傷并且沒有醫(yī)生醫(yī)治的時候，可以使用納米機器人醫(yī)治。納米機器人攻防兼?zhèn)洌{米機器人技術(shù)發(fā)展成熟后，一旦應(yīng)用于軍事之中，各國軍隊的作戰(zhàn)方式和部隊的戰(zhàn)斗力將會大大提高。戰(zhàn)爭可能會從“信息化”戰(zhàn)爭進一步都演化為“機器人”戰(zhàn)爭［8］。

3　納米機器人的發(fā)展前景

3.1納米機器人的優(yōu)勢以及發(fā)展前景匯總

1）納米機器人體現(xiàn)了人類高科技的應(yīng)用。

2）納米機器人已經(jīng)逐步應(yīng)用于臨床醫(yī)學方面。

3）當今中國制造2025計劃加速了納米機器人的發(fā)展。

4）納米機器人加速了醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，通過游離在人身體中的納米機器人，病人更容易被治療。

5）納米機器人比正常手術(shù)對人體傷害更小。正常手術(shù)需要動刀留疤痕，納米機器人則完全不需要。

6）在納米尺度范圍內(nèi)的操作可由納米機器人執(zhí)行，會使操作更加智能化。

7）納米機器人的發(fā)展促進了軍事領(lǐng)域的革新，使得傳統(tǒng)戰(zhàn)爭變?yōu)椤皺C器人”戰(zhàn)爭。

3.2納米機器人會大量應(yīng)用于醫(yī)療方面

現(xiàn)在有許多病情是外科醫(yī)生用手術(shù)刀解決不了的。病源可能僅僅是一個病變細胞，所以外科醫(yī)生手中的手術(shù)刀派不上用場。而如果用醫(yī)藥治療會對患者的整個身體產(chǎn)生損傷，所以常規(guī)傳統(tǒng)的醫(yī)學手段已經(jīng)滿足不了人們的需求了。此時納米機器人應(yīng)運而生，醫(yī)生只需要將載有數(shù)以萬計的納米機器人的藥液注入病人的血管，通過事先編好的程序，有導航作用的納米機器人就會帶著執(zhí)行“手術(shù)”的納米機器人到達指定位置，然后帶有“手術(shù)刀”的納米機器人就會開展手術(shù)作業(yè)，完成治療，最后沿著人體的消化道排出體外。這種形式的治療可以說對人體無任何損傷，沒有傳統(tǒng)治療手術(shù)后的疤痕，也不會有任何副作用，這將是醫(yī)學史上里程碑式的“巨作”。

隨著科學技術(shù)的進步和人類醫(yī)療水平的提高，納米機器人醫(yī)生將會越來越貼近人們的生活［10］。

3.3納米機器人軍事化即將成為必然

現(xiàn)在激烈競爭的國際形勢和當下熱議的釣魚島爭端和南海爭端使我國軍事科學技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫。我國應(yīng)該大力發(fā)展高科技創(chuàng)新，納米機器人不失為很好的選擇。前文已經(jīng)指出，納米機器人在軍事領(lǐng)域應(yīng)用攻防兼?zhèn)洌⑶铱梢詾檐婈犑占閳?，做好信息?zhàn)和機器人戰(zhàn)的充分準備。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，達到迷惑敵人的目的，進而收集重要情報。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)，這樣我們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去，從而獲得珍貴的情報資源，為戰(zhàn)爭勝利奠定堅實的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在有許多國家已經(jīng)做成了軍用納米機器人并已投入使用，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，可以完成其執(zhí)行的任務(wù)。納米機器人作為先進武器，一定會讓軍隊的作戰(zhàn)方式、作戰(zhàn)狀態(tài)有很大的改變，所以納米機器人技術(shù)至關(guān)重要［11］。

3.4納米機器人技術(shù)可以解決環(huán)境嚴重污染問題

二十世紀以來，隨著科學技術(shù)迅速發(fā)展，我們周圍的環(huán)境越來越差，霧霾越來越嚴重，河流經(jīng)常被工廠排放的廢水污染，地震導致日本福島核電站核泄漏，這些污染問題，用當下常規(guī)的方式去除，效果非常慢，幾年的治理，往往效果不明顯，需要幾十年的治理，才能有很好的效果。所以常規(guī)治理手段已經(jīng)越來越跟不上時代的節(jié)奏。納米機器人技術(shù)的出現(xiàn)正好為污染帶來了新的解決方式。利用納米機器人技術(shù)，我們可以快速治理污染的水源。通過將大量納米機器人放入污染水源中，用已經(jīng)設(shè)計好的傳感器和程序讓納米機器人作為“分解者”將污染源分解掉，從而解決河流污染問題。利用納米機器人技術(shù)，我們還可以解決石油泄漏污染問題。用常規(guī)方式往往不容易解決石油泄漏污染問題，從而造成大量海洋生物死亡并且造成大量經(jīng)濟損失。我們可以運用納米機器人作為這些細小分子的搬運工，將它們收集到一處安全區(qū)域，從而防止泄漏時的擴散和污染。隨著納米機器人技術(shù)的發(fā)展，我相信這種處理方法不久就會出現(xiàn)［12］。

3.5納米機器人會加速人類文明

目前有很多學者正在研究關(guān)于為人腦植入芯片的課題。我認為納米機器人植入人腦，作為人類“第二個大腦”將人類智力提升也是一種不錯的選擇。隨著科技的發(fā)展，集成度超高的芯片已經(jīng)漸漸走進人們的視野。我們可以做出一個合理的設(shè)想：將高集成度芯片裝在納米機器人上將其植入大腦，通過一系列生物學連接手段讓納米機器人與人類通信，輔助人類思考，從而提高人類智力，進而加速人類文明的發(fā)展。這時納米機器人已不是“機器人”，而是一個大小接近于細胞的工作在大腦思考區(qū)的輔助裝置。這將是人類文明又一偉大的前進［12］。

4　結(jié)束語

人類文明走進了21世紀，越來越多的科技創(chuàng)新在推動著我們前進。納米機器人技術(shù)也是這些燦爛的科技成果中的一大亮點。隨著中國制造2025的推進，納米機器人技術(shù)將會飛速發(fā)展，走向空前繁榮的地步。隨著納米機器人技術(shù)的發(fā)展，許多行業(yè)都將會發(fā)生變革。許多科學難題也會被一點點攻破。

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An overview of the characteristics analysis，application situation and the development prospect of the nanometer robots generally

WANG YU-shan， SUN Xue

中圖分類號：TP242

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0147-03

收稿日期：2016-02-01

作者簡介：王玉山（1995 -），男，遼寧沈陽人，本科，研究方向為機械電子工程。