引言：“納米機器人”是機器人工程學的一種新興科技，納米機器人的研製屬於“分子納米技術的範疇，它根據分子水平的生物學原理為設計原型，設計製造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。
納米機器人被認為是未來生物醫療科技領域的重要方向，但由於其尚處於早期研究、測試階段，離落地還較遙遠，故很少為大眾所知。據前瞻產業研究院瞭解，如果納米機器人項目開展順利，到 2021 年的市場規模會達到 3977 億美元。
簡單來說，納米機器人是一種可以進入人體內特定目標的醫療治療工具。到達目標後，這些小機器就可以發揮作用，比如輸送藥物或者實時的瞭解藥物的作用情況。在完成這些目標後，納米機器人可以被不留痕跡的降解。
清掃人體血液中的細菌和毒素
近日，加州大學聖地亞哥分校的一組科學家研發出了一種納米機器人，可以通過在血液中的運動來消滅細菌和毒素。
他們研發的納米機器人是由金製成，比人的頭髮薄 25 倍，它們在超聲波驅動的血液中以每秒 35 微米的速度行進，自己不需要帶有動力。納米機器人由血小板和血細胞膜構建的混合塗層覆蓋，當它們在超聲波的引導下穿過血液時，血小板膜會捕獲細菌，血細胞膜會捕獲毒素。另一方面，血小板和血細胞膜塗層也可以阻止蛋白質附著到納米機器人上，避免其受到其他細胞的攻擊。
在測試中，研究人員使用納米機器人來處理被 MRSA 及其毒素汙染的血液樣本。五分鐘後，這些血液樣本比對照樣本的細菌和毒素少三倍。
這項工作還處於初期階段，研究人員指出，他們的最終目標不是使用納米機器人專門治療 MRSA 感染，而會更常用於生物體液的解毒。研究團隊未來的計劃包括測試活體動物，並致力於使用可生物降解的材料製造納米機器人，替代目前的金材料，從而最終實現可以在人體中測試和生效。
據瞭解，納米機器人在醫療方面的應用，目前主要包括四大功能：藥物的靶向運輸、手術的精準操作、疾病的精準診斷以及解毒。36氪曾介紹過用於在血液中搬運分子級藥物的 DNA 納米機器人等。
探索皮膚的主動感知和反應
實現機器人的感知皮膚是極具困難的，因為傳統硬傳感器無法隨著機器人的外型而配置，再者，大面積、大密度的配置下，傳統被動感測組件的功耗，將會是獨立運作機器人電力的一大問題。在所有機器人中，柔性機器人具有柔軟、能適應環境變化的外型，相對於硬機器人，更能提供良好的運動自由性，以及安全、順應的「人-機」與「環境-機」互動，但因為軟機器人連續彎曲、變形的外型，實現軟機器人的感知皮膚更是困難。
近日，在佐治亞理工學院、中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士的帶領下，賴盈至教授、鄧佳楠博士、劉瑞遠博士等研究員，利用摩擦納米發電機實現了柔性機器人的主動感知與反應能力，通過大自然界的摩擦電效應，使各種軟機器人可以像生物般，主動地感知外部的刺激和內部的肌肉運動。研究人員首先研發能夠同時擁有優異機械拉伸性(100％應變拉伸性能)、優異低壓敏感度(9.54 V kPa-1，<5 kPa；最低檢測限度至63 Pa)的摩擦納米發電機電子皮膚，同時具有優良機械與優異感測能力的特徵，加上與柔性機器人的材料模量匹配，使得摩擦電式電子皮膚可以集成到氣動執行器中，搭配柔性機器人柔軟、適應環境的肌肉，使柔性機器人可以執行各種主動感知和響應的任務。具有摩擦納米發電機皮膚的軟性夾具，能夠自主感知移動商品的每個動作(包含靠近,拿取,提升等)，並且能夠察覺商品意外掉落的風險。具有摩擦納米發電機皮膚的軟性機器人手指具有潛力可以幫忙檢查嬰兒是否尿褲子。具有摩擦納米發電機皮膚的軟性機器人還具有幫人類進行觸診的潛力，免去硬機器人的不舒適感。具有摩擦納米發電機皮膚的軟性機器人能夠在移動過程中，感覺每個肌肉的動作，這種摩擦納米發電機機器人皮膚可以大面積部屬在軟機器人的表面。除了可以感知人類的碰觸外，還可以進行用聲音、光、短語與人類進行互動。
這項研究發表於Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201801114)，將為人工智能、柔性機器人、人機界面的各種應用開啟大門。
IVN為納米機器人保駕護航
Mini機器人在人體內運行，為疾病的診斷、監測、治療帶來了新方法，例如它們可用於給藥、監測生命體徵、檢測胃腸道運動、通過電刺激或光刺激治療腦部疾病等等。
然而，Mini機器人往往都需要在人體內長時間駐留和運作，因此持續、安全、穩定的能量供應對於它們來說顯得非常重要。
現在常用的兩個供電方案為：
1）瑞士伯爾尼大學醫院和伯爾尼大學的研究人員發現採用位於皮膚下的小型太陽能電池，從冬季到夏季，都可以為心臟起搏器供給足夠的能量。
2）美國麻省理工學院和佈列根和婦女醫院的研究人員設計出一種由胃酸提供能量的微型伏打電池，它能產生足夠多的能量為小型傳感器或給藥設備供電，使其在胃腸道駐留更長時間。
然而，我們不禁還會想，既然用電池為體內醫療設備供電有這麼多缺點，那麼有徹底擺脫電池的供電方案嗎？答案是：有。下面，讓我們再來看幾個經典的研究案例：
1）美國麻省理工學院、佈列根和婦女醫院、查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室的科研人員通過無線能量傳輸的方式，為消化道內的可攝取的醫療電子設備供電。
2）美國加州大學洛杉磯分校和康涅狄格大學的科研人員合作開發一種新型系統，它可以為心臟起搏器等植入式醫療設備供電。該系統主要由兩部分組成：能量存儲（生物超級電容）和能量採集（採集人體熱量和運動能量的設備）。
3）美國加州大學聖地亞哥分校的工程師們開發出一種由超聲波供電的微型機器人，它可以在血液中游動，去除有害的細菌及其產生的毒素。
創新與價值
在眾多無需電池的供電方案中，今天讓我們重點關注一下用過體外天線發射無線電波的供電方式。然而，這種方式的主要障礙在於：無線電波通過人體時會顯著衰減，以至於弱到無法提供足夠的電力。
為了克服這一障礙，近日美國麻省理工學院（MIT）、哈佛醫學院（HMS）、佈列根和婦女醫院（BWH）的科學家們開發出一種為人體深處的植入式醫療設備供電並與之通信的新系統，他們稱之為“體內聯網”（IVN）系統。
這些無線電波可以安全地穿過人體組織，為植入式醫療設備供電。在針對豬的測試中，這種無線電波可以在1米以外的距離，為組織中10釐米深處的設備供電。如果傳感器非常接近皮膚表面，那麼在38米以外的地方就可以為它們供電。
因為無需電池，所以這些設備可以做得非常小。在這項研究中，研究人員測試了一粒米大小的原型設備，但是他們預計設備還可以做得更小。
“體內聯網”（IVN）的系統是一種含有多個天線的設計，這些天線會發出頻率稍有差異的無線電波。在無線電波傳輸的過程中，它們以不同的方式相互疊加並結合。在某些時候，這些波的頂點相互重疊，從而可以提供足夠多的能量為植入式傳感器供電。
這項技術利用複雜的信號生成技術，使得信號可以在傳感器中建設性地相互結合，激發這些傳感器，為它們供電並與之通信。有了新系統，研究人員不用知道傳感器在身體中的確切位置，因為能量可以大範圍地傳播。這也意味著，它們可以一次為多個設備供電。在傳感器接收能量脈衝的同時，它們也會接收到一個告訴它們將信息發回天線的信號。研究人員稱，這個信號也可以用於刺激釋放藥物、電流脈衝、光脈衝。
IVN 技術的應用包括：放置在智能藥丸中控制給藥，治療瘧疾或阿爾茨海默病；測量器官和組織的健康狀況，例如壓力、葡萄糖、腸道微生物群，並將相關數據發送出來；集成到腦深部刺激器中，治療帕金森病或癲癇。
目前，科研團隊正在研究讓電力傳輸變得更加高效且距離更遠。研究人員稱，這項技術也有望改善其他領域中的RFID應用，這些領域包括：庫存控制、零售分析、智能環境。未來，它將帶來更遠距離的追蹤與通信。
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