纳米机器人技术：现状与前景

### 纳米机器人技术：现状与前景 #### 纳米机器人技术宣言 自20世纪60年代科幻电影《神奇旅程》展示微观智能体在人体血管系统中消除肿瘤以来，小尺度机器人就引发了大众的想象。如今，纳米机器人技术已不再是科幻，而是一个新兴领域，涵盖以下方面： - 纳米级组件的可编程组装，可通过扫描探针显微镜（SPMs）或其他机器人设备进行操作，也可通过被动自组装或机器人组件的主动自组装实现。 - 设计和制造整体尺寸在微米级或更小、由纳米级组件构成的纳米机器人。 - 对大量此类纳米机器人进行编程和协调。 回顾过去几十年，微电子革命深刻影响了我们的生活，推动了计算机科学的发展。而纳米技术作为小型化的下一个前沿领域，其影响可能比微电子技术更为显著，因为构成物质的原子和分子都处于纳米尺度。纳米技术有望让我们对物质结构实现前所未有的控制，从而制造出小巧、快速且廉价的新型功能设备和具有新特性的材料。 纳米电子和纳米机电系统（NEMS），如传感器、计算机和执行器，将开启微纳机器人的新时代，并在无处不在的交互模式中发挥重要作用。高度移动的人类和机器人将通过大量分布式传感器和执行器与海量信息及物理世界进行交互，其中大部分设备尺寸极小。 纳米技术的重要性已得到广泛认可。纳米世界在科学上极具吸引力，因为纳米级物体的特性与大块材料不同。纳米机器人的潜在应用具有革命性，例如，它们可用于与单个分子交互，为化学领域开辟新视野。在纳米生物技术中的应用尤其令人关注，从可编程人造细胞到能进入细胞进行修复的小型纳米机器人，纳米传感器在血液中快速检测病原体并通过人造细胞做出即时反应，可能会彻底改变医学。 然而，构建和编程纳米机器人面临两大主要问题。由于设备尺寸极小，其可编程性受到严重限制。纳米机器人编程可能是分布式移动机器人和传感器网络现有工作的延伸，而纳米机器人的构建则需解决纳米级的传感器、计算机、执行器、电源和通信等问题。 目前，人造纳米机器人尚未出现，纳米结构制造仍处于起步阶段。一种制造纳米机器人的方法是利用机器人技术，通过SPMs组装分子大小的构建块。在SPM驱动的纳米组装中，组件在计算机控制下，由SPM的尖端作为操纵器进行定位。定位后的纳米组件可通过多种方式连接，如使用化学胶水（如DNA）、在原组件上沉积额外材料、烧结（加热）或焊接。 此外，纳米机器人技术与生物学密切相关。生物分子、生物马达和其他生物组件都是纳米级的，大多数生命过程在纳米尺度上发生。未来的纳米机器人尺寸将与生物构建块相当，并能与它们密切交互。最终，我们将在生物系统中部署大量纳米机器人，它们能够感知、“思考”和行动。但最初可能会使用更简单的设备，如传感器。大量纳米传感器实时、高时空分辨率地测量多种变量，将为生物学研究开辟新途径，有助于我们对生物学有新的理解，并推动医学进步。这些纳米传感器网络将先在细胞培养中应用，然后在组织外植体中，最终在活体生物中使用，其应用前景可能远超我们的想象。 #### 可编程纳米组装 用原子力显微镜（AFM）尖端推动纳米物体是一种相对成熟的技术。这种方法类似于传统工业机器人，先使用组装机器人（在纳米机器人技术中为AFM）定位组件，然后将其与其他组件连接。纳米级的连接可通过多种技术实现，如化学“胶合”、“焊接”、烧结和材料沉积等。虽然光学陷阱和介电泳等技术也可能用于纳米操作，但目前它们在竞争力上不如AFM操作。 然而，AFM纳米操作存在两个主要缺点：劳动强度大且吞吐量低。要成功移动纳米物体，AFM尖端必须准确击中它（对于纳米粒子，需接近中心）。由于AFM中压电驱动器和其他硬件的空间不确定性，对于尺寸约为10纳米的纳米物体，这很难实现。这些不确定性主要由热漂移、蠕变和滞后引起。过去，人工用户需要在每次移动前后寻找被移动的物体，并手动调整推动轨迹。通常，一个由约20个粒子组成的图案，训练有素的操作员需要花费数小时才能构建完成。不过，最近已实现了直径约10纳米的纳米粒子的全自动操作，这将操作时间从数小时缩短至数分钟，并可能实现前所未有的复杂图案构建。 吞吐量低是一个更棘手的问题，这源于AFM操作的