科學幻想中的納米機器人在血液中拖曳紅細胞 
 

　　一個(ge) 大眾(zhong) 文學中對此的經典想象，是1966年Harry Kleiner的電影《奇妙的航程》（Fantastic Voyage，艾薩克⋅阿西莫夫對該劇本改編為(wei) 同名小說）。在美蘇爭(zheng) 霸的冷戰大背景下，一隊美國科學家登上了縮小到了微米尺度的潛水艇中，進入了一個(ge) 受傷(shang) 的外交官的血液中。雖然每次心跳所引起的血液波動都讓潛艇隨時處於(yu) 傾(qing) 覆的邊緣，身體(ti) 內(nei) 的抗體(ti) 也把潛艇當做了感染源而瘋狂攻擊，英勇的主角們(men) 仍然能夠操縱潛艇在血液中化險為(wei) 夷，並摧毀危及生命的血栓，最終成功拯救了外交官的性命。
 

　　以上這些科幻電影中的場景，可能會(hui) 讓稚氣的孩子們(men) 興(xing) 奮非常，而年長的人們(men) 則難免會(hui) 半信半疑，甚至嗤之以鼻。1納米是1米的十億(yi) 分之一，這些比頭發絲(si) （大約50微米，即5萬(wan) 納米）還細小得多的納米機器人似乎威力無窮但又遙（微）不可及，盡管近幾十年來常常被人提起，卻又好像從(cong) 未真正出現過。
 

　　我們(men) 究竟距離這一天還有多遠？沿路有哪些艱險曲折？為(wei) 之付出巨大的人力物力是值得的嗎？
 

　　納米機器的三大險阻
 

　　有些人認為(wei) ，納米機器終究隻是科學家和科幻圈的一場小眾(zhong) 狂歡。這樣的質疑和悲觀似乎十分有道理。從(cong) 上世紀50、60年代以來，在世界科技發展進步的大多數時間裏，納米機器都徘徊於(yu) 憧憬和夢想之中。納米尺度的物體(ti) 運動要客服太多的艱難險阻。比如，物體(ti) 越小，受到空氣、水分子的無規撞擊的影響就越大，其運動會(hui) 顯得十分無規則。這種被稱為(wei) “布朗運動”的效應在宏觀上幾乎無法察覺，但在微觀上會(hui) 非常顯著。布朗運動和顆粒的化學組成與(yu) 密度無關(guan) ，與(yu) 溫度直接相關(guan) ，因而無法根除。當物體(ti) 越來越小，就需要克服越來越明顯的布朗運動。因此，在納米尺度，幾乎所有的定向運動都會(hui) 讓位於(yu) 與(yu) 之相比巨大得多的環境擾動。這也使精確操控微納米機器變得極其困難。（1966年的電影中，主人公們(men) 操縱器微納米潛水艇似乎遊刃有餘(yu) ，布朗運動在這一電影中被極大的忽視了）



此外，目前（2019年）最精密的機械加工精度大約是5納米，這也是英特爾等芯片廠商通過數十年的不斷進步所取得的驚人成績。然而這樣的精度或許仍不足以製造我們(men) 所需的精密部件，來組裝成滿足需要的納米機器人，讓其有手有腳有腦有天線等。而即便我們(men) 的加工精度達到了要求，如何在納米尺度上用極其微小的鑷子將這些比頭發絲(si) 還細小一萬(wan) 倍的零件一個(ge) 個(ge) 組裝起來，更是技術上令人咋舌、甚至無法逾越的高峰。


 

              人頭發絲(si) 上利用雙光子光刻方法3D打印的跳舞的女人
 

　　第三，即便我們(men) 想出了高招克服布朗運動的幹擾，也開發出了非常精密的技術以生產(chan) 、組裝納米尺度的機器，我們(men) 仍然需要考慮這樣的機器如何運作。在宏觀尺度，慣性的作用很強大，因而宏觀的動物、機器可以通過簡單的手臂伸縮或者身體(ti) 搖擺就能夠順暢地運動起來（想象一下人遊泳的姿勢）。但這樣的“往複式”（reciprocal）運動在微觀世界則舉(ju) 步維艱。對這一問題，1952年諾貝爾物理學獎得主Purcell在1976年的一場演講中首次提出了所謂“扇貝定律”（scallop theorem），即像扇貝一樣循環往複運動身體(ti) 部件，是無法讓微生物產(chan) 生淨位移的，隻會(hui) 讓它在原地來回運動。因此，同樣受製於(yu) 扇貝定律的納米機器人也無法利用螺旋槳、背鰭、尾翼等部件的扇動來運動，而需要新的驅動方法。


 

　扇貝定理示意圖。如同扇貝一樣往複式地打開和關(guan) 閉無法在微觀世界運動 
 

　　為(wei) 什麽(me) 微納機器人不能像扇貝一樣往複運動？非常非常簡化的解釋如下：流體(ti) 的流動通常由一組稱為(wei) 納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）的非線性偏微分方程描述。對於(yu) 微納尺度運動的物體(ti) 來說，慣性對它們(men) 的影響很小，而液體(ti) 對它們(men) 來說非常粘稠（所謂低“雷諾數”流體(ti) 環境）。在此情況下，斯托克斯方程的簡化表達式為(wei) ：
 

　　-▽p+ μ▽2u=0，▽u=0
 

　　這是一個(ge) 線性方程。這意味著流體(ti) 的流速與(yu) 所施加的力成比例，即 ▽p= μ▽2u。由於(yu) 在該方程中不存在與(yu) 時間相關(guan) 的項，且方程是線性的，這意味著對於(yu) 完全往複的運動，物體(ti) 無法獲得淨的向前運動（即扇貝定理）。
 

　　怎樣實現納米機器？
 

　　環境十分惡劣，又無法像宏觀的機器一樣往複運動，實現納米機器曾經舉(ju) 步維艱。但科技發展日新月異，今天的我們(men) 已經擁有遠勝於(yu) 五十年前的星空体育官网入口网站和技術水平。納米機器的合成、製備與(yu) 開發已經逐漸變得可能。此外，人們(men) 也認識到，自然界其實早已充滿了各式納米機器。例如，細胞內(nei) 的輸運蛋白能夠克服布朗運動，在微管束組成的軌道上來來回回運動，像貨運卡車一樣在細胞內(nei) 輸運巨大的貨物；ATP合成酶精巧地旋轉一圈，借由細胞內(nei) 外的氫離子梯度，為(wei) 細胞生產(chan) 出所需的食物ATP；大腸杆菌、精子細胞、草履蟲等八仙過海各顯神通，揮動鞭毛、纖毛，在惡劣的環境中遊弋並找到食物。這些精巧卓絕的生物納米機器讓人歎為(wei) 觀止，也為(wei) 我們(men) 設計納米機器提供了最寶貴的經驗。
 

　                     遊動的大腸杆菌的卡通示意圖
 

　　我們(men) 在這裏介紹一種很常見的讓微納米機器在流體(ti) 中運動起來的方法。這種方法首先需要製備一種表麵材料分布不均勻的顆粒，也稱為(wei) Janus顆粒。這個(ge) 名字來源於(yu) 古羅馬的神袛雙麵神Janus，它有兩(liang) 張麵孔，一張回望過去，一張眺望未來。因此這種顆粒也被稱為(wei) 雙麵神顆粒（這也是英文單詞一月January的詞源）。最簡單的雙麵神顆粒是一個(ge) 微納米球，一半覆蓋了某種材料（例如金屬鉑），能夠在溶液中發生特定的化學反應（例如鉑催化的過氧化氫分解）。因為(wei) 顆粒兩(liang) 麵的材料不同，化學反應產(chan) 生了化學物質濃度梯度，在此梯度下顆粒能夠因為(wei) 各種不同的機製（泛泛來說是某種“泳”機製，即phoresis）運動起來。



 

                       羅馬雙麵神Janus 
 

　　這種靠化學物質的梯度而運動的原理，也適用於(yu) 宏觀物體(ti) 。例如，漂浮在睡眠的肥皂船上的肥皂溶解在水中，因為(wei) 船的形狀不對稱，從(cong) 而形成了表麵張力的梯度，拉動了肥皂船的運動。《三體(ti) 》中雲(yun) 天明就是借此暗喻了曲率驅動這一星際航行的策略。



 

曲率驅動的原理想象圖。通過操控飛船前後端空間曲率，實現飛船超光速的運動
 

　　這樣的微納米機器好像車頭吊著一個(ge) 胡蘿卜的驢車。前麵有胡蘿卜後麵沒有，這樣就得到了一個(ge) “胡蘿卜的梯度”。驢感受到這一梯度，被其吸引，自發向前運動。這個(ge) 梯度不會(hui) 因為(wei) 驢車的運動就消失，而是無時無刻保持在驢車周圍的，因而驢車可以持續不斷的向前運動。這並不是永動機，因為(wei) 驢子運動需要不斷消耗能量，轉化為(wei) 車的動能。事實上，很多化學驅動的微納米機器中，其表麵的化學反應會(hui) 持續不斷地消耗化學物質，因而“胡蘿卜”會(hui) 越來越小，對驢子的吸引力越來越弱，最終機器停止運行。製造一種能夠源源不斷從(cong) 環境中高效汲取能量的微納米機器一直是一個(ge) 非常重要的課題。
 

　　讀者可能能夠意識到，這種利用梯度場（“胡蘿卜”）驅動微納機器的方法，和我們(men) 通常熟悉的機器的運行方式差別極大。通常的機器，核心運動構件是馬達，其運動是靠電磁場下轉子的旋轉得到的。如前所述，這種往複式運動並不能驅動微納米機器。而目前開發出來的用於(yu) 驅動微納米機器的梯度場方法，往往效率低下，控製也很差，也並不會(hui) 有人用這樣的方法驅動汽車。但這是我們(men) 目前針對微納米機器人的特殊環境和限製所不得不做出的犧牲。
 

　　納米機器前景誘人
 

　　在工作原理、製造、控製等幾個(ge) 方麵，納米機器都麵臨(lin) 著巨大的挑戰，但也孕育著巨大的回報。納米機器人在生物、醫藥、環境、軍(jun) 事、航天等多個(ge) 國計民生重大領域有巨大的潛在用途，或許能夠讓世界產(chan) 生我們(men) 做夢都無法想象的變革，因而吸引著一批批科技工作者前赴後繼投身這個(ge) 領域。
 

　　在來自世界各地（包括中國）的科研人員的不懈努力下，如今在國際範圍內(nei) 掀起了微納米機器研究的新熱潮。自21世紀初以來，人們(men) 合成出了許許多多不同種類的微納米材料及精巧的分子，並通過化學能、電能、磁能、光能、聲能、熱能等各種供能方式，讓這些人工製造的分子與(yu) 顆粒在微納米尺度運動起來。研究人員發布了數以千計的論文、專(zhuan) 利、學術報告，來討論這些材料的合成、驅動機製、相互作用機理，並結合理論和數值模擬，對實驗中觀察到的現象進行縝密而全麵的分析。2016年的諾貝爾化學獎，就頒給了三位超分子領域的專(zhuan) 家，以表彰他們(men) 在分子機器合成領域的卓越貢獻。



 

　                                                                                                           2016年化學諾獎三位得主 
 

　　目前，一大批科學工作者和工程師們(men) 通過精心設計，已成功將在微米尺度遊動的微納米機器人應用於(yu) 生物探測、智能載藥、可控藥物釋放、血栓清除、殺死腫瘤細胞、環境汙染物監測、環境治理、微納米組裝等多個(ge) 領域。




　石墨烯包覆的微米管在過氧化氫中噴射氣泡運動，清除水中的汙染物



 

　       在超聲波驅動下，雙金屬微米棒在宮頸癌細胞內(nei) 翻騰攪動
 

　　特別需要指出的是，雖然納米機器人有許多潛在的應用，社會(hui) 大眾(zhong) 也對這方麵的研究十分關(guan) 注，但納米機器人的研究不僅(jin) 僅(jin) 是應用研究，也不僅(jin) 僅(jin) 涉及工程領域。事實上，這是一個(ge) 學科高度交叉的研究領域，涉及物理、化學、材料、生物等多個(ge) 學科的基礎科學研究。
 

　　例如，微納米機器的製備往往不能依靠機械加工手段（即便是精密的微納加工技術也力有不逮），而是要通過物理、化學的方法合成、製備出具有特殊結構和功能的分子和微納米材料。而這些材料如何在各種實驗環境和參數條件下，按照人們(men) 的需要作出前進、後退、旋轉等運動，離不開對於(yu) 其電學、磁學、化學性質等方麵的深入了解，以及對其周圍環境中化學場、流體(ti) 場、電磁場的認識。
 

　　此外，“一個(ge) 好漢三個(ge) 幫”，在種類繁多的應用中，納米機器人想必也需要和眾(zhong) 多同伴們(men) 相互協作。因此，它們(men) 之間的相互作用、自組裝、群體(ti) 行為(wei) 、通訊機製等，對於(yu) 其應用也是需要仔細研究的問題。除此之外，還有眾(zhong) 多大大小小的科學問題等著科學家們(men) 去探索，並基於(yu) 這些發現，來開發出新型的納米機器人運動、控製和應用技術。



 

              哈佛大學研製的毫米尺寸機器人能夠自組裝為(wei) 特定形狀
 

　　而在另一個(ge) 完全不同的領域，軟凝聚態物理學家們(men) 將微納米機器人用作一種模型（他們(men) 稱之為(wei) “活性膠體(ti) ”），用於(yu) 模擬、理解生命中的許多湧現現象（emergence）和複雜體(ti) 係行為(wei) (complexity)。這一研究領域被稱作“活性物質”，近年來在國內(nei) 外也引起了極大的關(guan) 注。或許有朝一日，微納米機器人能夠不僅(jin) 治療癌症，還能夠在物理學家的努力下，幫助我們(men) 理解腫瘤的形成和轉移機製，以及鳥群、魚群等自然界複雜的群體(ti) 行為(wei) 。



 

　　海洋中的許多魚類能夠自發組織成大型的魚群以嚇阻捕食者
 

　　納米機器是不是威力無窮？能不能實現我們(men) 寄予厚望的各種奇妙的功能？我們(men) 現在還不得而知。但幾乎每一天都會(hui) 看到相關(guan) 研究取得了有趣和有意義(yi) 的進展，相關(guan) 的新聞報道也屢見不鮮。最後，附上一段網絡媒體(ti) [1]2013年對於(yu) 微納米機器人的描述。或許實現這些夢想的那個(ge) “將來某一天”已經並不遙遠。
 

　　“將來某一天，一名腦血栓病人躺在醫院手術室中等待接受危險的腦血栓移除手術，然而，為(wei) 他做手術的並不是穿著白大褂的醫生，而是兩(liang) 百萬(wan) 個(ge) 肉眼看不見的“納米機器人”！它們(men) 被裝在一個(ge) 透明的玻璃瓶中，當醫生將裝有納米機器人的液體(ti) 注入患者血管後，這些“納米機器醫生”開始遊向患者腦部，然後分工合作為(wei) 患者做手術。
 

　　一些納米機器人會(hui) 從(cong) 事導航任務；一些納米機器人會(hui) 從(cong) 事信號傳(chuan) 遞任務，以便讓手術室中的外科醫生能從(cong) 電子屏幕上監控手術情況；一些納米機器人負責用“納米鑷子”夾住血栓，讓另一些納米機器人用“納米手術刀”將血栓切成無數小塊然後運走；最後一批納米機器人則給患者大腦中的受傷(shang) 組織直接上藥，好讓這些手術傷(shang) 口能盡快痊愈。整個(ge) 手術耗時不到半小時，當手術成功結束後，所有納米機器人都會(hui) 在患者的血管中進入“休眠”狀態，等待從(cong) 他的身體(ti) 中排泄出去。”