纳米机器人研究进展

纳米机器人的研究进展纳米机器人定义以及基本现状纳米机器人在医疗上的应用纳米机器人仿生学上的应用纳米机器人在军事上的应用展望纳米机器人定义及基本现状纳米机器人通常是指按照分子水平生物学原理设计制造的可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”，也称分子机器人，属于分子仿生学的范畴；某些情况下，能进行纳米尺度微加工或操作的自动化装置也被称之为纳米机器人。因此，广义上来说，纳米机器人可分为生物纳米机器人和进行纳米加工的自动化装置2种。当前生物纳米机器人研究工作已从第一代生物机械简单结合系统(例如用碳纳米管作结构件，分子马达作为动力组件，DNA关节作为连接件等)发展到第二代由原子或分子装配的具有特定功能的分子器件(例如直接用原子、DNA片断或者蛋白质分子装配成生物纳米机器人)，未来还将向第三代包含纳米计算机在内的进行人机对话的操控性纳米机器人发展。第三代生物纳米机器人目前还处于设想阶段。目前，在全世界范围内用于严格意义上纳米加工或操作的自动化装置发展较少，包括以环境扫描电镜为平台的多功能微纳操作、表征及微加工系统等，能对微小零部件进行纳米级加工的“纳米车床”等主要还停留在概念设计阶段。细胞与蔽因的修复人工制造的“细胞修复机”在纳米计算机的操纵下，可以对原子逐个进行操作，修正DNA的错误，维护个别细胞的成分，从而达到对整个基因细胞的修复。图1展示的就是纳米机器人进人红细胞展开修复的过程。清理体内垃投人体是一个保持自然平衡的有机体，新陈代谢的过程可以起到吸收新鲜养分、排除有害物质的作用。但有时候人体自身平衡出现问题，无法实现自我平衡。例如，人体铅、汞中毒后，机体无法排出，也无法分解这些元素。这时，如果纳米机器人进人体内，就会极具目的性地把这些有害物质清出体内，使人体恢复自然平衡(图2所示为纳米机器人正在进行血管清淤)。养护血管人体的脑部血管有些地方天生脆弱，平时很难被察觉，但在意外情况下，可能会突然发生破裂，导致脑溢血。如果纳米机器人事先进人血管，仔细检查，并且一一修复那些脆弱血管，就可以避免这类悲剧的发生。有时血管中会产生血栓，堵塞血液正常流动。如果将纳米机器人导人管，可以把血栓打成小碎片，避免血栓的进一步扩大。图3为纳米机器人正在进行血管养护。“模拟酶”纳米机器人酶是生物催化剂，生命过程的每一个化学反应都有一个相应的酶进行催化，所以生命现象就是成千上万个在功能上有相互协调关系的酶分子井然有序地表现催化功能的结果。它们催化的生物化学反应儿乎涵盖了自然界所有的化学反应类型因此，模拟酶分子制造纳米机器人用于净化环境和对工业化学反应进行催化是一个巨人的潜在生产力生物化学家发现，酶分子体现活性只与少数儿个化学基因在空间上配制而组成的活性中心有关，所以化学家很旱就开始模仿酶活性中心的结构研制“模拟酶”生物化学家又发现酶活性中心的“柔性”是酶分子表现活性所必须，也就是说，有活性中心基因的空间配置是必须做相对运动才能表现活性这意味着“模拟酶”所模拟的活性中心基因必须动起来才有可能出现模拟的活性，出现了模拟活性的“模拟酶”就是典型的纳米机器人，这将是211日_纪分子仿生学研究的重要内容之一。“生物导弹”纳米机器人“生物导弹”的设计也是一个典型的分子仿生学应用范例生物导弹模仿膜囊泡转运蛋自质的功能，把不能分辨好坏细胞的抗癌药物包裹在脂微囊中，并在微囊表而植入一种专门与癌细胞结合的标记分子如此设计的生物导弹就是在血液中或细胞间隙游走的纳米机器人，它一旦遇到癌细胞就会抓住不放并钻入细胞中释放抗癌药物杀死癌细胞这个方向上的研究已取得了一些成果，而且正在向纵深发展。“仿叶绿体”纳米机器人生物能力学是研究生物能量转化功能的一门学科，形象地说生物能力学就是研究植物如何把太阳的能量储存在粮食中而动物又如何把食物中的太阳能取出来为自己使用叶绿体是利用太阳能制造粮食的分子机器，模仿叶绿体制造的纳米机器人将可能直接利用太阳能制造食物而创造新概念农业。“仿线粒体”纳米机器人动物细胞中也有一部分类似的机器叫做线粒体，它是从食物中提取太阳能的能手模仿线粒体制造的纳米机器人将可能为医学的发展作出重要的贡献，因为人们已经发现线粒体与衰老、运动疲劳以及很多与衰老以及相伴而生的疾病如糖尿病、帕金森氏病、脑肌病等等有很重要的关系纳米隐身纳米材料由于其结构特征尺寸进入纳米领域,物质的表面、界面效应、量子效应将十分显著。纳米超微粒可以制成具有良好吸波性能的涂层、金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超微粒,在细化过程中,使组成粒子的原子数大大减少,活性大大增加。在微波场的辐射下,使原子、电子运动加剧,使电磁能转化为热能。其吸波性能和透波性能取决于超微粒的尺度。纳米材料具有十分巨大的界面面积,这对提高雷达波的损耗是十分有利的。为了获得兼具宽频带、多功能、质量小和厚度薄等性质,正在研究纳米复合隐身材料,可以期待出现对厘米波、毫米波、红外、可见光等很宽波段的复合隐身材料,甚至可望研制成与结构材料复合、与抗核加固技术兼容的隐身材料。纳米机器人（纳米间谍）纳米机器人可以通过各种途径。钻进敌方武器装备中,长期潜伏。一旦启用,这些“纳米士兵”就能专门破坏敌方电子设备,使其短路、毁坏,或充当爆破手,用特种炸药引爆目标,或施放各种化学制剂,使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。配以微型探测器及微型收发报机等做成只有几毫米大小呈昆虫、树叶、沙粒等各种形状的机器人,用以对目标进行侦察,并把获得的信息及时发送出去,或使携带微型光学探测器的机器人通过建筑物的缝隙钻进内部进行测绘和勘察,携带微机电系统的机器人可从空气中取样,经过浓缩、加热和分离,由做在芯片上的多传感器阵列进行定量分析,能鉴别出百种核、生、化物质。根据这些信息,可准确判断被侦察目标的武器性质。纳米卫星利用微机电技术制造的惯性测量元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统及各种传感器,可使卫星的体积和重量大大减小。用这种微型部件制造的卫星称“纳米卫星”,重量不足0·1kg。由于各种部件全部采用纳米材料及微机电一体化集成技术进行整合,因此具有可重组性和可再生性,而且成本低、质量好、可靠性强。简单的“纳米卫星”外壳为太阳能电池和天线,内部设备如无线电系统、指挥控制系统、数据存储和处理系统等分别做在若干块芯片上。“纳米卫星”因此又称为“芯片级卫星”。由于它小而轻,用一枚小型运载火箭一次可以发射数百颗乃至上千颗卫星。把这些卫星按一定要求分布在不同轨道上组成卫星网,可连续监视地球上每一个地点。即使有少数卫星失灵,卫星网的工作也不受影响。“苍蝇”飞机利用微机电系统可以制成用于侦察和监视的袖珍无人机,可携带各种探测设备。具有信息处理、导航和通信能力。其主要功能是秘密布署到敌方信息系统和武器系统内部或附近,监视敌方情况。这些纳米飞机可以悬停、飞行,敌方雷达无法发现。它可以在1小时内连续飞行16公里。可以从数百公里外将其获得的信息传回己方导弹发射基地,直接引导导弹目攻击标。“蚊子”导弹由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多,可以大大提高武器控制系统的信息传输、存储的处理能力,可以制造出全新原理的智能化微型导航系统,使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力发生质的变化。利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹,可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波摇控,可以神不知鬼不觉地潜入目标内部,其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和弹药库。展望纳米技术是跨世纪的新的交叉和边缘学科，必将发展成为21世纪最重要技术，成为国际科学界和工程技术界关注的热点，在纳米尺度上重新认识和改造客观世界，确实是颇具激动人心的事情。未来20年纳米技术与生物医学工程和医药学的联系更为紧密，其趋势为：1．纳米技术应用于分子间的相互作用、分子复合物和分子组装的研究，将在大病毒结构、细胞器结构细节和自身装配机理上取得进展：2．纳米技术将使诊断、检测技术向微型、微观、微量、微创或无创、快速、实时、遥距、动态、功能性和智能化的方向发展；3．纳米技术将使药物的作用实现器官靶向化和药物的细胞内结构靶向化，使药物的生产成本低，效率高。参考文献[1]胡文祥,桑宝华.分子纳米技术在生物医药学领域的应用[J].化学通报,1998(5).[2]尹邦跃.纳米时代———现实与梦想[M].北京:中国轻工业出版社,2001.[3]顾宁,付德刚,张海黔.纳米技术与应用[M].北京:人民邮电出版社,2002.[4]黄德欢.纳米技术与应用[M].上海:中国纺织大学出版社,2001.[5]赵冬.纳米技术与纳米武器[M].北京:军事谊文出版社,2001.[6]科技与人，2002（10）[7]世界科学，2004（11）