? ? ? ? ? ? ? ? ?科學(xué)幻想中的納米機器人在血液中拖曳紅細胞?
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　　一個(gè)大眾文學(xué)中對此的經(jīng)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同名小說(shuō)）。在美蘇爭霸的冷戰大背景下，一隊美國科學(xué)家登上了縮小到了微米尺度的潛水艇中，進(jìn)入了一個(gè)受傷的外交官的血液中。雖然每次心跳所引起的血液波動(dòng)都讓潛艇隨時(shí)處于傾覆的邊緣，身體內的抗體也把潛艇當做了感染源而瘋狂攻擊，英勇的主角們仍然能夠操縱潛艇在血液中化險為夷，并摧毀危及生命的血栓，最終成功拯救了外交官的性命。
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　　以上這些科幻電影中的場(chǎng)景，可能會(huì )讓稚氣的孩子們興奮非常，而年長(cháng)的人們則難免會(huì )半信半疑，甚至嗤之以鼻。1納米是1米的十億分之一，這些比頭發(fā)絲（大約50微米，即5萬(wàn)納米）還細小得多的納米機器人似乎威力無(wú)窮但又遙（微）不可及，盡管近幾十年來(lái)常常被人提起，卻又好像從未真正出現過(guò)。
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　　我們究竟距離這一天還有多遠？沿路有哪些艱險曲折？為之付出巨大的人力物力是值得的嗎？
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　　納米機器的三大險阻
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　　有些人認為，納米機器終究只是科學(xué)家和科幻圈的一場(chǎng)小眾狂歡。這樣的質(zhì)疑和悲觀(guān)似乎十分有道理。從上世紀50、60年代以來(lái)，在世界科技發(fā)展進(jìn)步的大多數時(shí)間里，納米機器都徘徊于憧憬和夢(mèng)想之中。納米尺度的物體運動(dòng)要客服太多的艱難險阻。比如，物體越小，受到空氣、水分子的無(wú)規撞擊的影響就越大，其運動(dòng)會(huì )顯得十分無(wú)規則。這種被稱(chēng)為“布朗運動(dòng)”的效應在宏觀(guān)上幾乎無(wú)法察覺(jué)，但在微觀(guān)上會(huì )非常顯著(zhù)。布朗運動(dòng)和顆粒的化學(xué)組成與密度無(wú)關(guān)，與溫度直接相關(guān)，因而無(wú)法根除。當物體越來(lái)越小，就需要克服越來(lái)越明顯的布朗運動(dòng)。因此，在納米尺度，幾乎所有的定向運動(dòng)都會(huì )讓位于與之相比巨大得多的環(huán)境擾動(dòng)。這也使精確操控微納米機器變得極其困難。（1966年的電影中，主人公們操縱器微納米潛水艇似乎游刃有余，布朗運動(dòng)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(chǎng)商通過(guò)數十年的不斷進(jìn)步所取得的驚人成績(jì)。然而這樣的精度或許仍不足以制造我們所需的精密部件，來(lái)組裝成滿(mǎn)足需要的納米機器人，讓其有手有腳有腦有天線(xiàn)等。而即便我們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(fā)絲還細小一萬(wàn)倍的零件一個(gè)個(gè)組裝起來(lái)，更是技術(shù)上令人咋舌、甚至無(wú)法逾越的高峰。


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? ? ? ? ? ? ? 人頭發(fā)絲上利用雙光子光刻方法3D打印的跳舞的女人
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　　第三，即便我們想出了高招克服布朗運動(dòng)的干擾，也開(kāi)發(fā)出了非常精密的技術(shù)以生產(chǎn)、組裝納米尺度的機器，我們仍然需要考慮這樣的機器如何運作。在宏觀(guān)尺度，慣性的作用很強大，因而宏觀(guān)的動(dòng)物、機器可以通過(guò)簡(jiǎn)單的手臂伸縮或者身體搖擺就能夠順暢地運動(dòng)起來(lái)（想象一下人游泳的姿勢）。但這樣的“往復式”（reciprocal）運動(dòng)在微觀(guān)世界則舉步維艱。對這一問(wèn)題，1952年諾貝爾物理學(xué)獎得主Purcell在1976年的一場(chǎng)演講中首次提出了所謂“扇貝定律”（scallop theorem），即像扇貝一樣循環(huán)往復運動(dòng)身體部件，是無(wú)法讓微生物產(chǎn)生凈位移的，只會(huì )讓它在原地來(lái)回運動(dòng)。因此，同樣受制于扇貝定律的納米機器人也無(wú)法利用螺旋槳、背鰭、尾翼等部件的扇動(dòng)來(lái)運動(dòng)，而需要新的驅動(dòng)方法。


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　扇貝定理示意圖。如同扇貝一樣往復式地打開(kāi)和關(guān)閉無(wú)法在微觀(guān)世界運動(dòng)?
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　　為什么微納機器人不能像扇貝一樣往復運動(dòng)？非常非常簡(jiǎn)化的解釋如下：流體的流動(dòng)通常由一組稱(chēng)為納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）的非線(xiàn)性偏微分方程描述。對于微納尺度運動(dòng)的物體來(lái)說(shuō)，慣性對它們的影響很小，而液體對它們來(lái)說(shuō)非常粘稠（所謂低“雷諾數”流體環(huán)境）。在此情況下，斯托克斯方程的簡(jiǎn)化表達式為：
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　　-▽p+ μ▽2u=0，▽u=0
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　　這是一個(gè)線(xiàn)性方程。這意味著(zhù)流體的流速與所施加的力成比例，即 ▽p= μ▽2u。由于在該方程中不存在與時(shí)間相關(guān)的項，且方程是線(xiàn)性的，這意味著(zhù)對于完全往復的運動(dòng)，物體無(wú)法獲得凈的向前運動(dòng)（即扇貝定理）。
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　　怎樣實(shí)現納米機器？
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　　環(huán)境十分惡劣，又無(wú)法像宏觀(guān)的機器一樣往復運動(dòng)，實(shí)現納米機器曾經(jīng)舉步維艱。但科技發(fā)展日新月異，今天的我們已經(jīng)擁有遠勝于五十年前的知識和技術(shù)水平。納米機器的合成、制備與開(kāi)發(fā)已經(jīng)逐漸變得可能。此外，人們也認識到，自然界其實(shí)早已充滿(mǎn)了各式納米機器。例如，細胞內的輸運蛋白能夠克服布朗運動(dòng)，在微管束組成的軌道上來(lái)來(lái)回回運動(dòng)，像貨運卡車(chē)一樣在細胞內輸運巨大的貨物；ATP合成酶精巧地旋轉一圈，借由細胞內外的氫離子梯度，為細胞生產(chǎn)出所需的食物ATP；大腸桿菌、精子細胞、草履蟲(chóng)等八仙過(guò)海各顯神通，揮動(dòng)鞭毛、纖毛，在惡劣的環(huán)境中游弋并找到食物。這些精巧卓絕的生物納米機器讓人嘆為觀(guān)止，也為我們設計納米機器提供了最寶貴的經(jīng)驗。
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　? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?游動(dòng)的大腸桿菌的卡通示意圖
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　　我們在這里介紹一種很常見(jiàn)的讓微納米機器在流體中運動(dòng)起來(lái)的方法。這種方法首先需要制備一種表面材料分布不均勻的顆粒，也稱(chēng)為Janus顆粒。這個(gè)名字來(lái)源于古羅馬的神袛雙面神Janus，它有兩張面孔，一張回望過(guò)去，一張眺望未來(lái)。因此這種顆粒也被稱(chēng)為雙面神顆粒（這也是英文單詞一月January的詞源）。最簡(jiǎn)單的雙面神顆粒是一個(gè)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(fā)生特定的化學(xué)反應（例如鉑催化的過(guò)氧化氫分解）。因為顆粒兩面的材料不同，化學(xué)反應產(chǎn)生了化學(xué)物質(zhì)濃度梯度，在此梯度下顆粒能夠因為各種不同的機制（泛泛來(lái)說(shuō)是某種“泳”機制，即phoresis）運動(dòng)起來(lái)。



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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?羅馬雙面神Janus?
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　　這種靠化學(xué)物質(zhì)的梯度而運動(dòng)的原理，也適用于宏觀(guān)物體。例如，漂浮在睡眠的肥皂船上的肥皂溶解在水中，因為船的形狀不對稱(chēng)，從而形成了表面張力的梯度，拉動(dòng)了肥皂船的運動(dòng)?！度w》中云天明就是借此暗喻了曲率驅動(dòng)這一星際航行的策略。



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曲率驅動(dòng)的原理想象圖。通過(guò)操控飛船前后端空間曲率，實(shí)現飛船超光速的運動(dòng)
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　　這樣的微納米機器好像車(chē)頭吊著(zhù)一個(gè)胡蘿卜的驢車(chē)。前面有胡蘿卜后面沒(méi)有，這樣就得到了一個(gè)“胡蘿卜的梯度”。驢感受到這一梯度，被其吸引，自發(fā)向前運動(dòng)。這個(gè)梯度不會(huì )因為驢車(chē)的運動(dòng)就消失，而是無(wú)時(shí)無(wú)刻保持在驢車(chē)周?chē)?，因而驢車(chē)可以持續不斷的向前運動(dòng)。這并不是永動(dòng)機，因為驢子運動(dòng)需要不斷消耗能量，轉化為車(chē)的動(dòng)能。事實(shí)上，很多化學(xué)驅動(dòng)的微納米機器中，其表面的化學(xué)反應會(huì )持續不斷地消耗化學(xué)物質(zhì)，因而“胡蘿卜”會(huì )越來(lái)越小，對驢子的吸引力越來(lái)越弱，最終機器停止運行。制造一種能夠源源不斷從環(huán)境中高效汲取能量的微納米機器一直是一個(gè)非常重要的課題。
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　　讀者可能能夠意識到，這種利用梯度場(chǎng)（“胡蘿卜”）驅動(dòng)微納機器的方法，和我們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(dòng)構件是馬達，其運動(dòng)是靠電磁場(chǎng)下轉子的旋轉得到的。如前所述，這種往復式運動(dòng)并不能驅動(dòng)微納米機器。而目前開(kāi)發(fā)出來(lái)的用于驅動(dòng)微納米機器的梯度場(chǎng)方法，往往效率低下，控制也很差，也并不會(huì )有人用這樣的方法驅動(dòng)汽車(chē)。但這是我們目前針對微納米機器人的特殊環(huán)境和限制所不得不做出的犧牲。
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　　納米機器前景誘人
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　　在工作原理、制造、控制等幾個(gè)方面，納米機器都面臨著(zhù)巨大的挑戰，但也孕育著(zhù)巨大的回報。納米機器人在生物、醫藥、環(huán)境、軍事、航天等多個(gè)國計民生重大領(lǐng)域有巨大的潛在用途，或許能夠讓世界產(chǎn)生我們做夢(mèng)都無(wú)法想象的變革，因而吸引著(zhù)一批批科技工作者前赴后繼投身這個(gè)領(lǐng)域。
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　　在來(lái)自世界各地（包括中國）的科研人員的不懈努力下，如今在國際范圍內掀起了微納米機器研究的新熱潮。自21世紀初以來(lái)，人們合成出了許許多多不同種類(lèi)的微納米材料及精巧的分子，并通過(guò)化學(xué)能、電能、磁能、光能、聲能、熱能等各種供能方式，讓這些人工制造的分子與顆粒在微納米尺度運動(dòng)起來(lái)。研究人員發(fā)布了數以千計的論文、專(zhuān)利、學(xué)術(shù)報告，來(lái)討論這些材料的合成、驅動(dòng)機制、相互作用機理，并結合理論和數值模擬，對實(shí)驗中觀(guān)察到的現象進(jìn)行縝密而全面的分析。2016年的諾貝爾化學(xué)獎，就頒給了三位超分子領(lǐng)域的專(zhuān)家，以表彰他們在分子機器合成領(lǐng)域的卓越貢獻。



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　? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2016年化學(xué)諾獎三位得主?
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　　目前，一大批科學(xué)工作者和工程師們通過(guò)精心設計，已成功將在微米尺度游動(dòng)的微納米機器人應用于生物探測、智能載藥、可控藥物釋放、血栓清除、殺死腫瘤細胞、環(huán)境污染物監測、環(huán)境治理、微納米組裝等多個(gè)領(lǐng)域。




　石墨烯包覆的微米管在過(guò)氧化氫中噴射氣泡運動(dòng)，清除水中的污染物



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　? ? ? ?在超聲波驅動(dòng)下，雙金屬微米棒在宮頸癌細胞內翻騰攪動(dòng)
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　　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(huì )大眾也對這方面的研究十分關(guān)注，但納米機器人的研究不僅僅是應用研究，也不僅僅涉及工程領(lǐng)域。事實(shí)上，這是一個(gè)學(xué)科高度交叉的研究領(lǐng)域，涉及物理、化學(xué)、材料、生物等多個(gè)學(xué)科的基礎科學(xué)研究。
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　　例如，微納米機器的制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(shù)也力有不逮），而是要通過(guò)物理、化學(xué)的方法合成、制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(shí)驗環(huán)境和參數條件下，按照人們的需要作出前進(jìn)、后退、旋轉等運動(dòng)，離不開(kāi)對于其電學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)性質(zhì)等方面的深入了解，以及對其周?chē)h(huán)境中化學(xué)場(chǎng)、流體場(chǎng)、電磁場(chǎng)的認識。
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　　此外，“一個(gè)好漢三個(gè)幫”，在種類(lèi)繁多的應用中，納米機器人想必也需要和眾多同伴們相互協(xié)作。因此，它們之間的相互作用、自組裝、群體行為、通訊機制等，對于其應用也是需要仔細研究的問(wèn)題。除此之外，還有眾多大大小小的科學(xué)問(wèn)題等著(zhù)科學(xué)家們去探索，并基于這些發(fā)現，來(lái)開(kāi)發(fā)出新型的納米機器人運動(dòng)、控制和應用技術(shù)。



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? ? ? ? ? ? ? 哈佛大學(xué)研制的毫米尺寸機器人能夠自組裝為特定形狀
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　　而在另一個(gè)完全不同的領(lǐng)域，軟凝聚態(tài)物理學(xué)家們將微納米機器人用作一種模型（他們稱(chēng)之為“活性膠體”），用于模擬、理解生命中的許多涌現現象（emergence）和復雜體系行為(complexity)。這一研究領(lǐng)域被稱(chēng)作“活性物質(zhì)”，近年來(lái)在國內外也引起了極大的關(guān)注?；蛟S有朝一日，微納米機器人能夠不僅治療癌癥，還能夠在物理學(xué)家的努力下，幫助我們理解腫瘤的形成和轉移機制，以及鳥(niǎo)群、魚(yú)群等自然界復雜的群體行為。



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　　海洋中的許多魚(yú)類(lèi)能夠自發(fā)組織成大型的魚(yú)群以嚇阻捕食者
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　　納米機器是不是威力無(wú)窮？能不能實(shí)現我們寄予厚望的各種奇妙的功能？我們現在還不得而知。但幾乎每一天都會(huì )看到相關(guān)研究取得了有趣和有意義的進(jìn)展，相關(guān)的新聞報道也屢見(jiàn)不鮮。最后，附上一段網(wǎng)絡(luò )媒體[1]2013年對于微納米機器人的描述?；蛟S實(shí)現這些夢(mèng)想的那個(gè)“將來(lái)某一天”已經(jīng)并不遙遠。
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　　“將來(lái)某一天，一名腦血栓病人躺在醫院手術(shù)室中等待接受危險的腦血栓移除手術(shù)，然而，為他做手術(shù)的并不是穿著(zhù)白大褂的醫生，而是兩百萬(wàn)個(gè)肉眼看不見(jiàn)的“納米機器人”！它們被裝在一個(gè)透明的玻璃瓶中，當醫生將裝有納米機器人的液體注入患者血管后，這些“納米機器醫生”開(kāi)始游向患者腦部，然后分工合作為患者做手術(shù)。
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　　一些納米機器人會(huì )從事導航任務(wù)；一些納米機器人會(huì )從事信號傳遞任務(wù)，以便讓手術(shù)室中的外科醫生能從電子屏幕上監控手術(shù)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(shù)刀”將血栓切成無(wú)數小塊然后運走；最后一批納米機器人則給患者大腦中的受傷組織直接上藥，好讓這些手術(shù)傷口能盡快痊愈。整個(gè)手術(shù)耗時(shí)不到半小時(shí)，當手術(shù)成功結束后，所有納米機器人都會(huì )在患者的血管中進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，等待從他的身體中排泄出去?！?br> ?