什么是纳米机器人？了解纳米机器人结构、操作和用途

随着技术的进步，事物不总是变得更大、更好，物体也变得更小。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，并预计在未来五年内增长约17%。 纳米机器人 是纳米技术领域的重要组成部分，但它们到底是什么以及如何操作？让我们更深入地了解纳米机器人，以了解这种变革性技术如何工作以及它的用途。

什么是纳米机器人？

纳米技术领域关注的是研究和开发大约在1-100纳米尺度的技术。因此，纳米机器人学关注的是创建大约这个尺度的机器人。在实践中，很难设计出只有1纳米大小的东西，而“纳米机器人”和“纳米机器人学”这两个术语经常被应用于大约0.1-10微米大小的设备，这仍然很小。

需要注意的是，“纳米机器人”这个术语有时被应用于与纳米尺度物体交互的设备，操纵纳米尺度物品。因此，即使设备本身更大，它也可能被认为是纳米机器人仪器。这个文章将关注纳米尺度的机器人本身。

纳米机器人学和纳米机器人的大部分领域仍然处于理论阶段，研究重点是解决在如此小的尺度上构建的问题。然而，一些原型纳米机器和纳米马达已经被设计和测试。

目前存在的大多数纳米机器人设备属于以下四类之一：开关、马达、班车和汽车。

纳米机器人开关通过被提示从“关闭”状态切换到“开启”状态来工作。环境因素被用来使机器改变形状，这个过程称为构型变化。环境使用化学反应、紫外线和温度等过程进行改变，纳米机器人开关随之改变形状，能够完成特定的任务。

纳米马达比简单的开关更复杂，它们利用构型变化的影响产生的能量来移动和影响周围环境中的分子。

班车是能够运输化学物质（如药物）到特定目标区域的纳米机器人。目标是将班车与纳米机器人马达结合起来，使班车能够在环境中移动更大程度。

纳米机器人“汽车”目前是最先进的纳米设备，能够独立移动，使用化学或电磁催化剂进行提示。驱动纳米机器人汽车的纳米马达需要被控制，以便引导车辆，研究人员正在尝试各种纳米机器人控制方法。

纳米机器人学研究人员旨在将这些不同的组件和技术综合成能够完成复杂任务的纳米机器，这些任务是由一群纳米机器人共同工作完成的。

图片：“纳米材料的大小比较” 来源：Sureshup vai Wikimedia Commons，CC BY 3.0（https://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_of_nanomaterials_sizes.jpg）

如何创建纳米机器人？

纳米机器人学领域是多个学科的交叉点，创建纳米机器人涉及传感器、执行器和马达的创建。物理建模也必须完成，并且所有这些必须在纳米尺度上完成。如上所述，纳米操作设备被用来组装这些纳米尺度的部件，并操纵人工或生物组件，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。他们必须解决与感知、控制、功率、通信和无机材料和有机材料之间的相互作用相关的问题。

纳米机器人的大小大约与生物细胞相当，因此未来的纳米机器人可能会被用于医学和环境保护/修复等领域。目前存在的大多数“纳米机器人”只是被操纵以完成特定任务的特定分子。

复杂的纳米机器人本质上只是简单的分子通过化学过程连接和操纵在一起。例如，一些纳米机器人由 DNA 组成，并且可以 运输分子货物。

纳米机器人如何操作？

鉴于纳米机器人的高度理论性质，关于纳米机器人如何操作的问题是通过预测而不是事实来回答的。纳米机器人的首要用途可能是在医疗领域，移动通过人体并完成任务，如诊断疾病、监测生命体征和分发治疗。这些纳米机器人需要能够在人体中导航并通过组织，如血管。

导航

在纳米机器人导航方面，研究人员和工程师正在调查各种技术。一个导航方法是使用超声信号进行检测和部署。纳米机器人可以发出超声信号，这些信号可以被跟踪以定位纳米机器人的位置，然后可以使用一个特殊工具来引导它们的运动。磁共振成像（MRI）设备也可以被用来跟踪纳米机器人的位置，并且早期的MRI实验已经证明了该技术可以被用来检测和甚至操纵纳米机器人。其他检测和操纵纳米机器人的方法包括使用X射线、微波和射频波。目前，我们对这些波在纳米尺度上的控制还很有限，因此需要发明新的利用这些波的方法。

上述导航和检测系统是外部方法，依赖于工具的使用来移动纳米机器人。通过在纳米机器人上添加传感器，纳米机器人可以更加自治。例如，在纳米机器人上安装的化学传感器可以使机器人扫描周围环境并跟随特定的化学标记到目标区域。

功率

在为纳米机器人供电方面，研究人员正在探索各种 电源解决方案。电源解决方案包括外部电源和内部/板载电源。

内部电源解决方案包括发电机和电容器。板载发电机可以使用血液中的电解质产生能量，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，当与纳米机器人携带的化学物质结合时，会产生能量。电容器的工作原理与电池类似，存储电能，可以用来推进纳米机器人。其他选项，如微型核电源，甚至被考虑过。

至于外部电源，非常细、薄的电线可以将纳米机器人连接到外部电源。这些电线可以由微型光纤电缆制成，沿着电线发送光脉冲，并在纳米机器人内部产生实际的电力。

其他外部电源解决方案包括磁场或超声信号。纳米机器人可以使用一种称为压电膜的东西，它能够收集超声波并将其转化为电力。磁场可以用来催化纳米机器人上的闭合导电回路中的电流。作为奖励，磁场还可以用来控制纳米机器人的方向。

运动

解决纳米机器人运动问题需要一些创造性的解决方案。没有被连接或没有在环境中自由浮动的纳米机器人需要有一种方法来移动到目标位置。推进系统需要强大且稳定，能够推动纳米机器人通过周围环境中的流动，如血流。正在研究的推进解决方案通常从微观生物体的运动中获得灵感，研究人员正在研究微观生物体如何通过环境移动。例如，微生物通常使用长而鞭状的尾巴（称为鞭毛）来推动自己，或者使用一组小而毛发状的肢体（称为纤毛）来移动。

研究人员还正在尝试为机器人添加小型臂状附肢，使机器人能够游泳、抓握和爬行。目前，这些附肢通过外部磁场控制，磁力使机器人的臂振动。这种运动方法的一个额外好处是能量来自外部源。这种技术需要被缩小以使其适用于真正的纳米机器人。

还有其他更具创意的推进策略正在被研究。例如，一些研究人员已经提议使用电容器来工程化一个电磁泵，它将导电流体拉进去并将其射出 像喷气式发动机一样，从而推动纳米机器人向前移动。

无论最终应用如何，纳米机器人必须解决上述问题，处理导航、运动和功率。

纳米机器人有什么用途？

如前所述，纳米机器人的首要用途可能是在 医疗领域。纳米机器人可以被用来监测身体的损伤，并可能甚至促进损伤的修复。未来的纳米机器人可以直接将药物送到需要它们的细胞。目前，药物是通过口服或静脉注射给予的，并且在到达目标区域之前会扩散到整个身体，导致副作用。配备传感器的纳米机器人可以轻松地监测细胞区域的变化，并在损伤或故障的第一迹象出现时报告变化。

我们距离这些假设应用仍然很远，但进展正在不断地被取得。例如，2017年，科学家们 制造了针对癌细胞的纳米机器人，并使用微型钻头攻击它们，杀死了它们。今年，来自ITMO大学的一组研究人员设计了一个由DNA片段组成的纳米机器人，能够破坏病原性RNA链。基于DNA的纳米机器人目前还能够运输分子货物，纳米机器人由三个不同的DNA部分组成，使用DNA“腿”来操纵，并使用“臂”来携带特定的分子。

除了医疗应用外，研究人员还正在研究使用纳米机器人进行环境清理和修复。纳米机器人可以被用来从水体中去除 有毒重金属 和 塑料。纳米机器人可以携带化合物，当与有毒物质结合时，可以使其失活，或者它们可以被用来通过类似的过程降解塑料废物。研究人员还正在研究使用纳米机器人来 促进极小的计算机芯片和处理器的生产，本质上使用纳米机器人来生产微尺度的计算机电路。