納米機器人的實際應用與迭代升級

邵安東

愛因斯坦曾經(jīng)說過，人類的探索無非是兩個方向，一個是更大尺度的宏觀，另一個是更小尺度的微觀。

就目前來看，納米機器人就是更微觀尺度的工具應用?？梢赃@樣想象，在電影和科幻小說中身懷絕技的變形金剛，將之縮小無數(shù)倍，以至于肉眼不可見且具備專業(yè)技能的機器人，就是納米機器人。

納米機器人怎么制造出來？

可以想象納米機器人的制造是極其困難的。

從物理尺寸來看，納米機器人的大小在0.1～10微米之間。

從功能性上來看，納米機器人又被定義為“對納米級物體進行操作的機器”。

綜合兩者，納米機器人是以分子水平的生物學原理作為設(shè)計原型，制造出來可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。納米機器人屬于機器人工程學前沿科技的一種，其研制可以列為分子納米技術(shù)（MNT）的應用范疇。

機器都是由功能零部件組裝而成的，納米機器人也不例外。組成它的零件，小于微末，只有發(fā)絲直徑的千分之一。

顯然，要制造納米機器人，人類現(xiàn)有的機器已不敷應用，必須采用新的科技方法。比如，利用化學合成法，制造出分子級零件，并通過改變PH值來控制特定分子的運動。三位“設(shè)計分子機器”的科學家在2016年共同獲得了諾貝爾化學獎。他們是這一方法的創(chuàng)造者。

還有一種是光刻法。利用可實現(xiàn)納米級精度的芯片制造光刻技術(shù)，制造納米機器人。美國加州理工的科學家們采用光刻技術(shù)，已經(jīng)制造出分辨率為25～100納米的復雜三維金屬幾何圖形。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家們則發(fā)明了一種“飛秒投影雙光子光刻”技術(shù)，加工出了納米級別的零件，打印出芝麻粒大小的微納結(jié)構(gòu)。常用的光刻技術(shù)之外，微立體光刻技術(shù)業(yè)已得到應用。

除了以上工具方法，還要有相應的技術(shù)支持，如材料沉積技術(shù)、材料組裝技術(shù)、微模塑、聚焦離子束和潤濕技術(shù)等。

加工納米機器人零件已經(jīng)非常困難，而更為困難的是如何將制造出來的納米零件組裝成機器人。

組裝則涉及逐層靜電自組裝、模板輔助逐層自組裝以及自卷曲等。不僅如此，隨著納米機器人的升級，必須借助多種技術(shù)來實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的加工裝配。

好在早于上世紀80年代，人們就掌握了單原子控制技術(shù)。到2005年，中國科學院曾將一個4微米長、100納米寬的碳納米管，成功移動到了一個雕刻好的溝槽內(nèi)。不久前的2015年，法國國家科學院的一個研究小組，成功合成了長聚合鏈，即通過超分子鍵把數(shù)量眾多的納米零件結(jié)合在了一起。這個新的結(jié)構(gòu)單鏈，可以完成線性伸縮運動，雖然僅僅只有1納米。而長聚合鏈則可以產(chǎn)生10微米的新型收縮舒張運動，有點類似肌肉活體組織所能做的那樣。如果達到一定的數(shù)量級，比如一萬個納米零件協(xié)同運動，就可以產(chǎn)生尺度更大的新變化。但是，由簡單聚合到縮小版的“變形金剛”萬能機器人，仍然有艱難的探索路程需要完成。

納米機器人如何動起來？

按照傳統(tǒng)的機械運動原理，要讓機器動起來，就必須有一個功率發(fā)動機提供動力。美國德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家們制造了又小又快（體積小于一粒晶鹽的500倍，速度每分鐘1.8萬轉(zhuǎn)，相當于噴氣式發(fā)動機的轉(zhuǎn)速）的微型發(fā)動機。實際上，這種納米發(fā)動機只不過是一小段鎳金屬納米線，依靠電場作用產(chǎn)生動力。

那么，有電場驅(qū)動，就有磁場驅(qū)動。麻省理工的科學家們由細菌鞭毛獲得靈感，利用3D打印技術(shù)制造出了只有細胞大小的螺旋狀機器人。正是這特異的螺旋狀，可以更好地幫助機器人在人體血液中按照既定目標移動。而在其上覆涂鎳鈦之后，這種“細菌鞭毛機器人”便具有了磁性。在外部磁場的控制下，就可以規(guī)劃其運行路線，使其在類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種各樣的納米機器運動現(xiàn)象。例如，細胞內(nèi)的輸運蛋白能夠克服布朗運動，在微管束組成的軌道上進行往返運動，大腸桿菌、精子細胞、草履蟲等正是通過鞭毛、纖毛的活動，尋找賴以生存的食物。像所有科技創(chuàng)新一樣，大自然中的納米運動現(xiàn)象，為納米機器人的設(shè)計制造提供了可以模擬的經(jīng)驗。

除了電、磁驅(qū)動，物理驅(qū)動方式上尚有光驅(qū)動、熱驅(qū)動、聲驅(qū)動、壓電驅(qū)動等可以選用。

盡管物理驅(qū)動占據(jù)了較大比重，但化學驅(qū)動方式也有自身的優(yōu)勢。如納米棒、微夾持器、火箭式管狀結(jié)構(gòu)、生物分子等，因為其表面易于為化學物質(zhì)所修飾，之后就可以依靠化學反應產(chǎn)生的能量來驅(qū)動。管式納米機器人易產(chǎn)生較大的推進力，非對稱的Pt制的納米機器人可以產(chǎn)生穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運動，也因此被稱為自驅(qū)動。

當然，為了取長補短，以上多種驅(qū)動方式可以分時復用，如電磁場驅(qū)動和趨藥性自驅(qū)動，或者結(jié)合使用，如磁驅(qū)動和壓電、聲、光驅(qū)動相結(jié)合。組合方式可以提升納米機器人的性能、擴展其功能。不難理解，與之同時納米機器人所需的外部條件也相應增多，控制方法的復雜度隨之增大。

納米機器人能幫助人類做什么？

人類使用納米機器人的最終目的，無非是兩個，一個是改善體外物理世界，一個是改善體內(nèi)物理世界。

目前來看，納米機器人在改善體內(nèi)物理世界方面所取得的成績更為突出。最為人們所熟知的就是用于腫瘤等一系列免疫系統(tǒng)治療納米機器人。

醫(yī)療納米機器人首先要解決的就是在血液或胃酸里，不受體液影響，并在百萬細胞中準確定位到病體細胞。2019年，加州理工的科學家們把納米機器人置于一顆膠囊里并注射進生物體。之所以用了膠囊就是為了防護納米機器人被胃酸等體液侵蝕損壞。隨后，體外“光聲斷層掃描技術(shù)”實時定位納米機器人，體外紅外光照射破裂膠囊后，納米機器人開始工作，即對病患細胞釋放藥物。另外，攜帶能識別癌細胞的特定蛋白質(zhì)的納米機器人，可以識別并分辨癌細胞，以完成對癌細胞的精準消除。

如果沒有外部磁場，運動則是隨機的，但通過磁場控制后，就可以實現(xiàn)定向運動，甚至實現(xiàn)納米機器人群的有規(guī)律運動。

有趣的是，2017年舉辦的賽道全長僅有100nm的納米車大賽，倒是彰顯了人類探索操控納米機器人的新勇氣與新努力。

目前，納米機器人已被用于生物探測、智能載藥、可控藥物釋放、血栓清除、殺死腫瘤細胞、環(huán)境污染物監(jiān)測、環(huán)境治理、微納米組裝以及軍事等多個領(lǐng)域。

初步的實踐應用案例——石油開采納米機器人

2007年，著名的沙特阿美石油公司提出了油藏納米機器人的概念。2008年，Schlumberger、Halliburton、Total、ConocoPhillips等7家石油公司共同成立先進能源財團（AEC），開始對納米傳感器進行研究。目前，在石油煉制領(lǐng)域，納米催化技術(shù)已得到廣泛應用，石油勘探領(lǐng)域也不甘落后正在積極探索。國外學者曾設(shè)想將大批量納米機器人隨注入液進入藏油層，在驅(qū)替過程（非濕相驅(qū)替濕相，簡單說就是以其他物質(zhì)如CO2等，將石油驅(qū)離油層。以海水驅(qū)替淡水的過程也可以稱驅(qū)替過程）中，運用納米機器人分析油藏壓力、溫度、流體類型等，并依據(jù)之繪制出油藏圖。2010 年 6 月，沙特阿美在 Arab-D 地層中注入了納米機器人，獲得初步成功，這被視為采油納米機器人應用有了突破性進展，納米機器人已成為未來采油工程的發(fā)展方向。

采油工程意義上的納米機器人明顯超越了石油采收機。傳統(tǒng)采油機只是一個機械系統(tǒng)，而石油納米機器人則是機械系統(tǒng)與化學分子系統(tǒng)的有機結(jié)合體。新的機器人不再滿足于采收，它增加了了解井間基質(zhì)、裂隙和流體性質(zhì)，以及與油氣生產(chǎn)相關(guān)的其他功能。能夠測量儲量、報告油藏環(huán)境，最突出的特質(zhì)是，可以作用于油藏環(huán)境，甚至改變油藏性質(zhì)，為高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)藍圖。具體說，運用納米機器人可以輔助圈定油藏范圍，繪制裂隙和斷層圖形，識別和確定高滲通道，識別油藏中被遺漏的油氣，優(yōu)化井位設(shè)計和建立更有效的地質(zhì)模型，從而大大減少石油勘探的工作量。納米機器人將聚合物、表面活性劑、微生物等驅(qū)替劑送入油層進行驅(qū)油作業(yè)，已是可見的方向。

但諸多挑戰(zhàn)，必須應對。如何在油層部署納米機器人？如采取什么樣的方式可以有效地將納米機器人送入油層、納米機器人在油層中如何動作、匹配工作任務的動力源怎么解決、如何保證納米機器人的安全并順利回收等。

解決部署問題之后，如何對其進行遙測和定位。又如何實時從大批量納米機器人中完成通信和采集數(shù)據(jù)？單個和大批量納米機器人如何進行空間定位，并相互協(xié)作？

固定油層的儲量較為容易判斷，那么如何探測滲流通道以外的油氣資源？納米機器人的探測深度如何決定或根據(jù)什么決定？實時探測到的數(shù)據(jù)如何讀??？讀取之后，又如何有效處理、分析和應用這些數(shù)據(jù)？

目前，全球的油氣采收率平均只有 30% 左右，現(xiàn)有的開采技術(shù)遺留有70%左右的石油在井下。挑戰(zhàn)還在于，納米機器人能達到多大的采收率，能不能接近百分之百？

石油納米機器人的應用值得期待，其在儲層改造、清蠟降黏、油層解堵、原油驅(qū)替、污水處理等方面的突破，就在不遠的將來。

納米機器人的發(fā)展方向與挑戰(zhàn)

當前階段的納米機器人非要列出代際屬性的話，就屬于第一代。它是生物與機械兩個系統(tǒng)的結(jié)合體，更多指向可以進入人體血管，進行健康檢查和疾病治療的納米機器人。

既然有代際的區(qū)別，就要有實質(zhì)的變化。第二代納米機器人可以直接由原子或分子裝配成具有某種特定功能的分子裝置，并能夠執(zhí)行復雜的納米級任務。

第三代納米機器人則是強人工智能與納米計算機的結(jié)合體，與每個個體的人相加，以進行人機對話或人機協(xié)同的智能設(shè)備，成為生活必需品。

思考并不能代替實踐。納米機器人迭代升級的實踐中，面臨著諸多挑戰(zhàn)，如傳感器新材料的進步如何推動納米治療及病毒檢測能力的提升;在IT方面，如何提高定位的精度;在芯片制造上，高頻率芯片的設(shè)計如何提升納米機器人的整體性能等。

更困難的是對納米機器人的實際需求增長，所帶來的諸多挑戰(zhàn)。如功能多樣化的挑戰(zhàn)，就要求納米機器人將感知、驅(qū)動和智能集于一身，并具備良好的信息反饋機制。具體到醫(yī)療納米機器人，大多數(shù)仍停留在實驗室，亟須從科學研究跨越到臨床應用。為達到更好的應用，納米機器人需要考慮建立全新的能量轉(zhuǎn)換機制，包括更加魯棒化（Robust的音譯，意為強壯或強大）的無線驅(qū)動和更加簡便的控制方法以及更合理的裝配技術(shù)。

基于納米機器人工作環(huán)境的特殊性，又要求更適應環(huán)境的創(chuàng)新型材料。目前，納米機器人的工作方式，多為單兵作戰(zhàn)，未來則需要更加精準的集群控制，這是最大的挑戰(zhàn)。不能控制，就意味著不能完成工作目標。在大尺度物理世界，一般來說動摩擦和靜摩擦的值是固定的，加速度會產(chǎn)生很大的沖擊力。同樣質(zhì)量比例的沖擊力，是納米尺度難以承受的。方法就是通過仿真壁虎或細菌的邊毛，做到動摩擦很大而靜摩擦卻很小，從而消解沖擊力。

納米機器人的發(fā)展前景

未來納米機器人將廣泛應用于不同領(lǐng)域。

在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)用納米機器人會將人腦和云腦（云計算系統(tǒng)）連接起來，或者成為腦機接口的重要應用方向，最終目的是提高人類智力和延長人類壽命。甚至有人將之視為未來長生不老的解決途徑。

在軍事領(lǐng)域，通過仿生學技術(shù)賦予納米機器人昆蟲、鳥類等小型動物的能力或多物種混合能力，不僅充當偵察與情報收集工具，而且可以作為防不勝防的進攻利器。

在環(huán)保領(lǐng)域，治污防污納米機器人將被大批量投放到污染環(huán)境中，通過傳感器和設(shè)定的清潔程序分解污染源，有效解決水、氣污染問題。

在工業(yè)領(lǐng)域，納米機器人被用于制作微米級以及納米級芯片，從而減少電子產(chǎn)品的體積，不僅使電子產(chǎn)品變得更微小，而且由于新材料的應用使產(chǎn)品具備自愈或者自修復功能。讓人窺見未來類人機器人的巨大可能性。

由此，人類將進入新的時代——納米機器人時代。人類的工作方式和生活方式也將發(fā)生全新的變革，那是創(chuàng)新驅(qū)動為本體的時代。