“納米機器人”是電影和科幻小說中的常客，一次又一次閃耀登場施展絕技。在許多人的印象中，它們就是縮小無數倍的變形金剛。
以“納米機器人”為關鍵詞，出現的搜索結果，畫風都是醬嬸的：
“史詩級”“劃時代”“科技革命”，加持在“納米機器人”上的這麼多名號，到底幾分真實，幾分噱頭？現實與科幻到底有多少差距？
為了解答這些疑問，今天我們就聊聊納米級機器人的“真身”！
納米機器人是啥？要怎麼造？
關於納米機器人，最初是從“尺寸”的角度進行定義：“在0.1-10微米之內的微型機器”。
後來，科學家們將這個概念進行了延伸，從“功能性”上將納米機器人定義為“對納米級物體進行操作的機器”。
無論如何定義，製造納米機器人是一項非常艱鉅的任務。
首先，我們需要一些小零件——相當小，可能只有髮絲直徑的千分之一。
2016年諾貝爾化學獎頒給了三位從事“設計分子機器”的學者。他們的主要工作就是
使用化學合成法，做出了很多分子級零件，比如開關、泵和軸[1]。 化學方法可以合成一系列分子級別零件：一個典型的納米開關示意圖，通過改變pH可以控制特定的分子進行移動 | 參考文獻[1]
還有一些硬科技，可以用來造納米零件，比如光刻技術。
光刻技術主要用於製造芯片，是人類掌握的少數幾種可以實現納米級精度的加工技術。美國加州理工學院科學家們採用光刻技術可以造出分辨率為25-100納米的複雜三維金屬幾何圖形[2]。2019年，美國勞倫斯•利弗莫爾國家實驗室的科學家們開發了一種“飛秒投影雙光子光刻”技術，可以將傳統技術的加工速度提升1000倍，只需要8分20秒就可以打印出一個芝麻大小的微納結構，加工精度保持在納米級別[3]。
通過飛秒投影雙光子光刻技術製造的複雜三維微觀結構 | 參考文獻[3]
無論是化學法或光刻法，製造出來的是納米零件，這些零件需要進一步組裝成機器人。如何實現微觀尺度的組裝，是“納米機器人”研究的另一難關。
早在上世紀80年代，人們就實現了對單原子的控制。2005年，中國科學院成功將一個4微米長、100納米粗的碳納米管，準確地移動到了一個刻好的溝槽裡[4]。然而，如何大規模進行納米組裝仍是問題。
2015年，法國國家科學院的一個研究小組，成功合成了一種長長的聚合鏈，通過超分子鍵把成千上萬的納米機器結合在一起，每個納米機器都能產生約1納米的線性伸縮運動。積少成多，這數萬個小納米機器的運動整合起來，可以使聚合鏈產生10微米的收縮舒張，就像肌肉組織中那樣[5]。
積少成多：上萬個納米零件的協同運動，可以產生大尺度的變化 | 參考文獻[5]
即便如此，這些研究也只是實現了“納米零件”的簡單聚合，真想要裝配出電影中那種微如針尖的萬能機器，人類還有很多路要走。
如何讓納米機器人動起來？
除了怎麼“做出來”，還有一個關鍵問題，是如何讓納米機器人 “動起來”？
最直接的方式就是裝個發動機。美國德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家們造出了迄今世界上最小、最快的微型發動機。這個發動機比一粒鹽要小500倍，能把電能轉化為機械運動，速度可以達到每分鐘18000轉，相當於噴氣式飛機上發動機的轉速，而且能連續旋轉15小時[8]。
納米發動機示意圖 | 參考文獻[8]
不過，別被這種高大上的宣傳圖騙到。實際上，這種納米發動機只不過是一種成分為金、鎳的納米線，可以在電場作用下旋轉。指望它能帶動機器人，為時尚早。
納米發動機的真身不過是一個納米線 | 參考文獻 [8]
除了用電場，還能用磁場。來自MIT的科學家們借鑑了細菌鞭毛的模樣，用3D打印技術造出了只有細胞大小螺旋狀機器人，並稱其為“
人造細菌鞭毛”。這種螺旋形狀可以幫助機器人更好地在血液中移動。之後他們在機器人的表面塗上了鎳鈦雙塗層，使其具有磁性。他們能夠通過外部磁場控制，人造細菌鞭毛的行動路線，使其在如同血管的通道中旋轉和移動[9]。也有學者腦洞大開，想到從能運動的細胞那裡“借力”。德國的一個研究團隊使用鈦-鐵納米薄膜做出了一種空心管，之後他們控制精子鑽到管子裡，從而做出了一種精子驅動的納米機器。因為納米空心管的獨特機構，精子的頭會卡在裡面，而尾巴仍然暴漏在外面。通過改變溫度等條件，可以控制精子的移動路線和速度，從而控制這個“精子機器人”[10]。
精子鑽進納米小管裡，作為動力源 | 參考文獻[10]
研究者用的是牛精子。在宏觀世界裡，牛就可以用於拉車。萬萬沒想到，微觀世界裡，它們的精子還要做“納米界的牛車”。
目前的納米機器人能幹什麼？
納米機器人最終目的，就是改善我們人類自身。
在2014年的影片《超驗駭客》（Transcendence）中，男主角利用納米機器人修復了自己重病的身體。2015年，谷歌技術總監雷·庫茲韋爾（Ray Kurzweil）也曾提出一個觀點：“2020年，人類的免疫系統將由納米機器人進行接管；2030年，納米機器人可以修正病原體，腫瘤等一系列免疫系統問題”。
不過，2020年近在眼前，目前來看這個時間表並不準確。電影中“一針靈治百病”式的納米機器人也沒有出現。
從血液到胃酸，如何讓納米機器人適應複雜的體液環境？在錯綜複雜的血管中，怎麼定位或驅動如塵埃般大小的納米機器人？在數百萬的細胞中，怎樣讓納米機器人識別出患病的
那個？誠然，疾病治療是納米機器人最重要、也是投入最多的研究方向，但實際中的重重困難讓這個領域步履蹣跚。當然，技術的進步給這些問題提供了一些可能的解決方案。2019年，加州理工學院的科學家們把納米機器人放在一個膠囊裡並注射進生物體內。這層膠囊可以防止納米機器人被胃酸等體液破壞。
隨後，他們利用一種名為“光聲斷層掃描技術”在體外對這些納米機器人進行了實時定位。當機器人膠囊抵達病患區域時，可以用外源近紅外光穿過人體組織，引發膠囊破裂從而釋放納米機器人，這些機器人在病患區域的停留並釋放藥物。此外，也可以把能識別癌細胞的特定蛋白質修飾在納米機器人上。注入體內之後，這些蛋白質可以作為“眼睛”，讓納米機器人分辨出癌細胞，以進行精確打擊。
不過，這些研究都是在動物身上進行的。截至目前，市面上還沒有真正成熟的納米機器人醫療產品。
雖然還不能指望納米機器人“治病救人”，不過，人們還是從納米機器人身上找點樂子。
2017年，來自三大洲的6支隊伍在法國南部進行了一場納米車大賽[12][14]。賽道由黃金製成的，全長100nm。參賽者將駕駛單個分子進行比賽。全程使用掃描隧道顯微鏡等特殊設備產生電流，“推動”納米小車前進。最後美國-奧地利聯隊以每小時35納米取得了冠軍。
首屆納米車大賽參賽的“納米車”示意圖 | foresight.org
當然，這些到底是不是“車”，你也可以持保留意見的，但這場賽事背後的意義遠不只“找樂子“這麼簡單。納米車大賽實際上是挑戰了人類對單分子的極限操控能力。科學家們也想借此引起人們對納米機器的關注，他們甚至和國際汽聯簽署了合作協議來推動納米車大賽的發展。
對於“納米機器人”，雖然我們目前能看到的成品十分簡單，有些甚至只能算是一些“納米的小零件”。也許，將來的一天，生病的你來到醫院，醫生開出的方子上會寫著：“注射5毫升納米機器人，多喝熱水”。
未來並不遙遠，但也沒那麼近。希望技術的快速迭代，能早日讓納米機器人造福人類。
排版：Yao
題圖來源：The Nanorobotics Laboratory polytechnique Montreal
參考文獻：
[1] Peplow, M. (2015). The tiniest Lego: a tale of nanoscale motors, rotors, switches and pumps. Nature News, 525(7567), 18.
[2] Vyatskikh, A., Delalande, S., Kudo, A., Zhang, X., Portela, C. M., & Greer, J. R. (2018). Additive manufacturing of 3D nano-architected metals. Nature communications, 9(1), 593.
[3] Saha, S. K., Wang, D., Nguyen, V. H., Chang, Y., Oakdale, J. S., & Chen, S. C. (2019). Scalable submicrometer additive manufacturing. Science, 366(6461), 105-109.
[4] http://www.cas.cn/ky/kyjz/200504/t20050410_1032191.shtml
[5] Du, G., Moulin, E., Jouault, N., Buhler, E., & Giuseppone, N. (2012). Muscle‐like supramolecular polymers: Integrated motion from thousands of molecular machines. Angewandte Chemie International Edition, 51(50), 12504-12508.
[6] Castro, C. E., Kilchherr, F., Kim, D. N., Shiao, E. L., Wauer, T., Wortmann, P., ... & Dietz, H. (2011). A primer to scaffolded DNA origami. Nature methods, 8(3), 221.
[7] Li, S., Jiang, Q., Liu, S., Zhang, Y., Tian, Y., Song, C., ... & Chang, Y. (2018). A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. Nature biotechnology, 36(3), 258.
[8] Kim, K., Xu, X., Guo, J., & Fan, D. L. (2014). Ultrahigh-speed rotating nanoelectromechanical system devices assembled from nanoscale building blocks. Nature communications, 5, 3632.
[9] https://new.qq.com/omn/20190504/20190504A06FRH.html
[10]Magdanz, V., Sanchez, S., & Schmidt, O. G. (2013). Development of a sperm‐flagella driven micro‐bio‐robot. Advanced Materials, 25(45), 6581-6588.
[11] Wu, Z., Li, L., Yang, Y., Hu, P.,
Li, Y., Yang, S. Y., ... & Gao, W. (2019). A microrobotic system guided by photoacoustic computed tomography for targeted navigation in intestines in vivo. Science Robotics, 4(32), eaax0613.[12] Castelvecchi, D. (2017). Drivers gear up for world’s first nanocar race. Nature News, 544(7650), 278.
歡迎個人轉發到朋友圈
閱讀更多 果殼 的文章
