什么是纳米机器人？ 了解纳米机器人的结构、操作和用途

随着技术的进步，事物并不总是变得更大更好，物体也会变得更小。 事实上，纳米技术是增长最快的技术领域之一，价值超过 1 万亿美元，预计未来五年将增长约 17%。 纳米机器人 它们是纳米技术领域的重要组成部分，但它们到底是什么以及它们如何运作？ 让我们仔细看看纳米机器人，了解这种变革性技术的工作原理及其用途。

什么是纳米机器人？

纳米技术领域涉及约 100 至 XNUMX 纳米尺度的技术研究和开发。 因此，纳米机器人学的重点是创造大约这个尺寸的机器人。 在实践中，很难设计出小至一纳米的任何东西，并且术语“纳米机器人”和“纳米机器人”经常被使用。 应用的 尺寸约为 0.1 – 10 微米的设备，这仍然相当小。

值得注意的是，术语“纳米机器人”有时适用于与纳米级物体交互、操纵纳米级物品的设备。 因此，即使设备本身更大，也可以被视为纳米机器人仪器。 本文将重点讨论纳米级机器人本身。

纳米机器人和纳米机器人领域的大部分仍处于理论阶段，研究重点是解决如此小规模的建造问题。 然而，一些原型纳米机器和纳米电机已经被设计和测试。

目前大多数现有的纳米机器人设备属于 四个类别之一：开关、电机、穿梭机和汽车。

纳米机器人开关通过提示从“关闭”状态切换到“打开”状态来运行。 利用环境因素使机器改变形状，这一过程称为构象变化。 通过化学反应、紫外线和温度等过程来改变环境，纳米机器人开关因此转变为不同的形式，从而能够完成特定的任务。

纳米电机比简单的开关更复杂，它们利用构象变化产生的能量来移动并影响周围环境中的分子。

航天飞机是一种纳米机器人，能够将药物等化学物质运输到特定的目标区域。 目标是将航天飞机与纳米机器人电机结合起来，使航天飞机能够在环境中进行更大程度的移动。

纳米机器人“汽车”是目前最先进的纳米设备，能够在化学或电磁催化剂的提示下独立移动。 驱动纳米机器人汽车的纳米电机需要受到控制才能使车辆转向，研究人员正在尝试各种纳米机器人控制方法。

纳米机器人研究人员的目标是将这些不同的组件和技术合成为纳米机器，通过一群纳米机器人协同工作来完成复杂的任务。

照片：照片：“纳米材料与其他常见材料的尺寸比较。” Sureshup vai 维基共享资源，CC BY 3.0 (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg)

纳米机器人是如何创造的？

纳米机器人领域处于许多学科的交叉路口，纳米机器人的创建涉及传感器、执行器和电机的创建。 物理建模也必须完成，所有这些都必须在纳米尺度上完成。 如上所述，纳米操纵装置用于组装这些纳米级部件并操纵人造或生物组件，其中包括细胞和分子的操纵。

纳米机器人工程师必须能够解决许多问题。 他们必须解决有关感觉、控制力、通信以及无机和有机材料之间相互作用的问题。

纳米机器人的大小与生物细胞大致相当，因此未来的纳米机器人可以应用于医学和环境保护/修复等学科。 当今存在的大多数“纳米机器人”只是经过操纵以完成某些任务的特定分子。 

复杂的纳米机器人本质上只是连接在一起并通过化学过程操纵的简单分子。 例如，一些纳米机器人是 由DNA组成，他们 运输分子货物。

纳米机器人如何运作？

鉴于纳米机器人仍然具有浓厚的理论性质，有关纳米机器人如何运作的问题是通过预测而不是事实陈述来回答的。 纳米机器人的第一个主要用途很可能是在医疗领域，在人体中移动并完成诊断疾病、监测生命体征和分配治疗等任务。 这些纳米机器人需要能够在人体周围导航并穿过血管等组织。

旅游导航

在纳米机器人导航方面，纳米机器人研究人员和工程师正在研究多种技术。 一种导航方法是利用超声波信号进行检测和部署。 纳米机器人可以发射超声波信号，通过追踪超声波信号来定位纳米机器人的位置，然后使用引导机器人运动的特殊工具将机器人引导到特定区域。 磁共振成像（MRI）设备也可用于跟踪纳米机器人的位置，并且 早期的核磁共振实验 已经证明该技术可用于检测甚至操纵纳米机器人。 检测和操纵纳米机器人的其他方法包括使用 X 射线、微波和无线电波。 目前，我们在纳米尺度上对这些波的控制相当有限，因此必须发明利用这些波的新方法。

上述导航和检测系统是外部方法，依赖于使用工具来移动纳米机器人。 通过添加板载传感器，纳米机器人可以更加自主。 例如，纳米机器人上包含的化学传感器可以让机器人扫描周围环境并跟随某些化学标记到达目标区域。

功率

当谈到为纳米机器人提供动力时，还有各种各样的 研究人员正在探索电源解决方案。 为纳米机器人供电的解决方案包括外部电源和板载/内部电源。

内部电源解决方案包括发电机和电容器。 纳米机器人上的发电机可以利用血液中的电解质来产生能量，或者纳米机器人甚至可以使用周围的血液作为化学催化剂来驱动，当与纳米机器人携带的化学物质结合时产生能量。 电容器的工作原理与电池类似，储存可用于驱动纳米机器人的电能。 甚至还考虑过其他选择，例如微型核动力源。

就外部电源而言，极其细小的电线可以将纳米机器人连接到外部电源。 这种电线可以由微型光纤电缆制成，沿着电线发送光脉冲，并在纳米机器人内产生实际的电力。

其他外部电源解决方案包括磁场或超声波信号。 纳米机器人可以采用一种叫做压电膜的东西，它能够收集超声波并将其转化为电能。 磁场可用于催化纳米机器人上包含的闭合导电环内的电流。 作为奖励，磁场还可以用来控制纳米机器人的方向。

运动

解决以下问题 纳米机器人运动 需要一些创造性的解决方案。 不受束缚的纳米机器人，或者不仅仅是在环境中自由漂浮的纳米机器人，需要有某种方法移动到目标位置。 推进系统需要强大且稳定，能够推动纳米机器人抵抗周围环境中的电流，例如血液的流动。 正在研究的推进解决方案通常受到自然界的启发，研究人员研究显微镜生物如何在其环境中移动。 例如，微生物通常使用称为鞭毛的长鞭状尾巴来推动自身，或者使用许多称为纤毛的微小毛发状肢体。

研究人员也在尝试让机器人变得更小 类似手臂的附肢 这可以让机器人游泳、抓握和爬行。 目前，这些附肢是通过体外磁场来控制的，因为磁力会促使机器人的手臂振动。 这种运动方法的另一个好处是它的能量来自外部来源。 这项技术需要做得更小，才能适用于真正的纳米机器人。

还有其他更具创造性的推进策略也在研究中。 例如，一些研究人员建议使用电容器来设计电磁泵，该泵可以吸入导电液体并将其射出 像喷气式飞机，推动纳米机器人前进。

无论纳米机器人的最终应用如何，它们都必须解决上述问题，处理导航、运动和电力。

纳米机器人有什么用？

如前所述，纳米机器人的首次用途 可能会在 医疗领域。 纳米机器人可用于监测身体损伤，甚至有可能促进损伤的修复。 未来的纳米机器人可以将药物直接输送到需要它们的细胞。 目前，药物是通过口服或静脉注射输送的，它们会扩散到全身，而不是只作用于目标区域，从而引起副作用。 配备传感器的纳米机器人可以很容易地用于监测细胞区域的变化，在出现损坏或故障的第一个迹象时报告变化。

我们距离这些假设的应用还有很长的路要走，但一直在取得进展。 举例来说，2017年科学家 创造了针对癌细胞的纳米机器人 并用小型钻头攻击他们，杀死了他们。 今年，ITMO大学的一组研究人员设计了一种由DNA片段组成的纳米机器人， 能够破坏致病性RNA链。 基于DNA的纳米机器人目前也能够运输分子货物，纳米机器人由三个不同的DNA部分组成，用DNA“腿”进行操纵，并用“臂”携带特定分子。

除了医疗应用之外，人们还正在研究使用纳米机器人进行环境清理和修复。 纳米机器人有可能被用来去除 有毒重金属 和 塑料 来自水体。 纳米机器人可以携带使有毒物质结合在一起时呈惰性的化合物，或者它们可以用于通过类似的过程降解塑料废物。 还正在研究使用纳米机器人来促进极小型计算机芯片和处理器的生产，主要是使用纳米机器人来生产微型计算机电路。