颠覆你对机器人的想象:奈米机器人能干嘛？

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颠覆你对机器人的想象:奈米机器人能干嘛？

2015-10-20 00:04:00     来源：创事记

　　Thenext BIGthingisvery SMALL——虽然也是号称“机器人”，但奈米机器人不需模仿人类行为，设计奈米机器人的主要目的是希望它们可以为人类在“奈米尺寸的空间内”执行“不可能的任务”，例如驱动、探测、操作、推进、发送信号等工作，而奈米机器人通常只需具备单一或数个功能即可，所以可以微小到犹如病毒、细菌或细胞一样，甚至只有某种特定的功能……
　　奈米机器人(nanorobots；亦称nanobots或nanites)，尺寸介于100至1000奈米之间，为被设计去执行特殊任务的奈米机械(nanomachine)。由于奈米机器人是根据分子生物学原理为设计原型，其研发也属于“分子仿生学”(molecularbionics)的范畴，所以奈米机器人也可称为“分子机器人”(molecularrobot)。
　　奈米机器人的设计与制造，与我们普遍认知的“机器人”大不相同。现今的机器人研发方向多以模仿人类的行为为主，也就是所谓的人型机器人(humanoidrobot)，例如Honda的ASIMO(图一)，以精密的机械结构来执行双脚走路、单手抓取、双手搬运等动作，并且能对周遭环境变化做出立即且适当的反应，而这些动作须要有强大的侦测感知装置及高度协调的神经网络作后盾。
　　一、ASIMO
　　虽然也是号称“机器人”，但奈米机器人不需模仿人类行为，设计奈米机器人的主要目的是希望它们可以为人类在“奈米尺寸的空间内”执行“不可能的任务”，例如驱动、探测、操作、推进、发送信号、讯息处理、聚集(swarm)等等工作，而奈米机器人通常只需具备上述的单一或数个功能即可，所以奈米机器人可以微小到犹如病毒、细菌或细胞一样，而且只有某种特定的功能。图二为奈米机器人的想象示意图。
　　二、奈米机器人
　　奈米机器人的研发是起源于1990年代所盛行的微型机器人(microrobots)研究，并融合了在2000年后有重大突破的奈米科技所形成的“自然演进”发展。在此之前，就有科幻电影描绘了微小潜艇穿梭于人体内的场景，例如1966年的《联合缩小军》(FantasticVoyage)及1987年的《惊异大奇航》(InnerSpace)，而现今拜奈米科技之赐，这些科幻的虚拟构想将有机会得以实现(人也被奈米化的情节当然是不包括在内的)。
　　在1990年代，奈米机器人的研究先驱EricK.Drexler，就已经描述了分子机械(molecularmachinery)与分子制造(molecularmanufacturing)的概念，另一位研究先驱RobertA.Freitas，则是致力于发展医学奈米机器人的概念。现今，有越来越多的研究单位聚焦于奈米机器人的研发，从概念衍生出的实体研究成果发表也快速地增长，奈米机器人的研发领域也持续扩张，奈米机器人的型态也更趋完整与精密。
　　根据C.Mavroidis及A.Ferreira的分类(详见参考数据1)，奈米机器人有以下四种类型：(1)Nano-Manipulators，(2)Bio-Nanorobots，(3)MagneticallyGuidedNanorobots，(4)Bacterial-BasedNanorobots。
　　奈米机械臂Nano-Manipulators
　　广义的来说，“奈米机器人”一词也可用于具有奈米尺寸精密准确度的大尺寸机械臂(large-scalemanipulators)之上，也就是说，即使机械臂是庞大的机器，但只要其末端操作器(end-effector)可以完成奈米操作的任务，则此类机械臂也是属于奈米机器人学(nanorobotics)所研究的范围，但我们不会直接将之称为奈米机器人，而是将这类型的机械臂称为“奈米机械臂”(nanomanipulators)。
　　扫描式探针显微镜(scanningprobemicROScope；SPM)就是被视为是一种奈米机械臂，其也是启发科学家去研发奈米机器人的动力之一。此类显微镜具有扫描及探测机制，其影像分辨率
　　主要取决于探针的大小，而探针通常是在奈米的范围。
　　SPM又可分为“扫描式穿隧显微镜”(scanningtunnelingmicroscope；STM)、“原子力显微镜”(atomicforcemicroscope；AFM)、“扫描式近场光学显微镜”(near-fieldopticalmicroscope；SNOM)等三种，其中最有名的应用案例就是在1990年时，IBM的科学家Eigler及Schweizer首次利用STM，逐步移动吸附在镍表面上的35颗氙原子(Xenonatoms)，并把它们排成“IBM”字样(图三)，而此一原子搬移技术，算是为奈米机器人的生产制造奠定基础。
　　三、以氙原子排成的“IBM”字样
　　经过10多年的改良历程，现今可以量产制造的奈米机械臂，其结构已更加精密，操作也更加灵巧，而且也有了新的名称：nanoroboticmanipulators(NRM)。NRM通常是内建于扫描式电子显微镜(scanningelectronmicroscopes；SEM)或穿透式电子显微镜(transmissionelectronmicroscopes；TEM)之内。图四是DCGSystems制造的NanoprobingSystem，其内有8支奈米机械臂，可以量测到14奈米制程的芯片。
　　四、包含8支奈米机械臂的NanoprobingSystem
　　生物奈米机器人Bio-Nanorobots(DNA-andProtein-Based)
　　生物奈米机器人，其组成组件是利用生物体的生命元素(biologicalelements)所建造的，也就是利用DNA与蛋白质等材料，建造出组装奈米机器人所需的奈米机械零组件。生物奈米机器人也是分子机械(molecularmachines)研究领域的项目之一。
　　采用DNA与蛋白质做为奈米机器人的零组件材料，其目标是希望直接将生命元素中的生物化学能转换为机械动能，进而制造出具有运动、施力、感觉、信号传送等等功能的奈米零组件，因此，根据此一能量转换原理，就可以制造出奈米机器人所需的马达、接合关节、传输组件，以及感测组件等等。
　　生物奈米机器人将用于操控奈米级物质、组装或制造其他奈米级机械，并进行保养、修补、监看等工作。目前，可完全实际执行上述任务的生物奈米机器人仍处于概念及实验室阶段，但已有一些研发成果受到世人的重视，如图五，即为哈佛大学威斯生物工程中心(WyssInstitute)所研发出的DNA奈米机器人，利用DNA折纸法(DNAorigamimethod)，将长长的DNA链像折纸一样迭起来，形成一个六角型载具，负责运送已先经过编码的分子到特定的细胞，然后与该细胞表面受体产生作用，进而影响这些细胞。
　　五、DNA奈米机器人
　　要制造出理想中的生物奈米机器人，还有一段长路要走。图六是依照可能的发展模式所规划出的蓝图，首先要制造出奈米零组件，再将零组件组成奈米机器人，再加载程序及控制，使奈米机器人能分工合作，最后再组成一奈米工厂，让奈米工厂制造奈米机器人。
　　六、生物奈米机器人
　　磁导奈米机器人MagneticallyGuidedNanorobots
　　简单的说，磁导奈米机器人基本上就只是一个带有磁性物质的奈米颗粒(nanoparticles)，所有构成机器人系统要件的零组件，全部都被移到此类奈米机器人之外。
　　此类奈米机器人的致动及推进功能，是由外部的磁场(梯度)所控制；侦测及追踪该奈米机器人的工作则由外部显影仪器完成，例如电子显微镜或磁振造影(magneticresonanceimaging；MRI；亦称为核磁共振造影)扫描仪。
　　在2003年，加拿大的蒙特娄工学院(écolePolytechniquedeMontréal)的研究人员将尺寸为10.9微米的磁性颗粒注射到猪的动脉之中，并成功地利用医疗级的MRI去对此磁性颗粒做侦测、追踪、控制、推进等操作，而此一研究是全世界第一个关于磁导奈米机器人的活体实验。
　　磁导奈米机器人的研发正受到各方的瞩目，尤其是应用医学方面的研究。最简单的构想就是将奈米级的颗粒挖空，然后在此空间中填装药剂，再以外部仪器指挥颗粒行进到达指定的部位，然后再让奈米机器人释放药剂以达到医疗的效果。
　　细菌为基底的奈米机器人Bacterial-BasedNanorobots
　　以细菌为基底的奈米机器人，其设计原理是来自于细菌在流体中的移动行为模式。此种奈米机器人的制造方式和致动方式，与前述的生物奈米机器(bio-nanorobots)及磁导奈米机器人(bio-nanorobots)相似，但其设计、控制、引导方式仍具有独特性，所以还是将之归纳成另一种类型的奈米机器人。
　　一般的细菌，其细胞内有数个直径约45奈米的分子马达(molecularmotors)，细胞体外有数个螺旋形的鞭毛，分子马达带动鞭毛，细菌因此获得推进的动力而能于流体中前进，速度可达25μm/s，此一特性，使得细菌非常适合用来做为奈米机器人的奈米马达(nanomotors)。
　　目前，一般细菌前进的方向性仍无法完全被控制，唯其停止及启动的行为可以用光或化学物质所控制。但有一种细菌，称为“磁感细菌”(magnetotacticbacteria；MTB)，可以提供更广的操控空间而受到瞩目。
　　MTB细菌体内有一串约20个由磁性晶体所形成的链状构造，每个晶体大小约为35~120奈米，这些磁性晶体的功用特征就是趋磁性(magnetotaxis)，所以该链状构造就像是一个微型罗盘，提供MTB细菌关于地球磁场方向的讯息，让它们可以据此到达目的地。现今科学家已证实，以外加磁场的方式来操控MTB细菌的行进方向是可行的，而且效果良好。
　　科学家现在也开始以人工方式模拟细菌的推进行为，目标是创造出完全人工制造的“奈米泳者”(nanoswimmers)。图七为苏黎世联邦理工学院(ETHZurich)与犹他大学及密执安州大联合设计的人造细菌鞭毛(artificialbacterialflagella；ABF)，其构造为铬镍金薄膜堆栈而成的磁性头部，以及仿真细菌鞭毛的螺旋状尾部，利用低强度的旋转磁场就可带动ABF，若调整磁场的旋转速度及方向，就可以有效的控制ABF游动的速度与方向。
　七、人造细菌鞭毛
　　由以上的简介可知，想要做出具有实用性的奈米机器人，还有一段长路要走，直得庆幸的是，奈米机器人的研发已经开始了，而且还有许多令人振奋的进展及突破，未来还是蛮值得期待的。在另一篇文章中，我们将继续介绍奈米机器人的应用及未来。