發(fā)布日期：2016-08-30

 在1959 年，諾貝爾獎得主、理論物理學家理查德-費曼率先提出納米技術的設想，他在一次題目為《在物質底層有大量的空間》的演講中提出：“人類會將納米級微型機器人用于醫(yī)療。”

隨著技術的發(fā)展，理查德-費曼的想法正在逐漸被實現(xiàn)：把數(shù)以百萬的微觀機械合而為一，將程序和操作流程錄入納米機器人，它們便可以在人體內自由移動。就像科幻片中幻想的：利用納米機器人，癌癥將被治愈，人類的壽命可持續(xù)數(shù)百年，所有變性疾病將不復存在。傷口將在數(shù)秒內愈合，一些藥物將不再有副作用，宿醉的不適感覺也將不存在——納米機器人能夠“治愈整個世界”。

當今機器人已成為科學界的熱門話題，隨著20世紀90年代納米技術的興起，人們對微型機器人的研究便在全世界范圍內開花，特別是對納米機器人在生物醫(yī)學上的應用研究。21世紀是生命科學的時代，納米技術與生物醫(yī)學結合而形成的納米生物學將是21世紀生命科學的重要組成部分，而納米機器人將是納米生物學中最具誘惑力的成就。

納米機器人原理

事實上，納米機器人這項尖端技術還在實驗研發(fā)階段，而大小為頭發(fā)十萬分之一的機器人如何在血液中游走？目前的技術是納米機器人依靠微小的電容器給尾巴（或四肢）提供能量，其體內裝有有效載荷，頭部為微型攝像機，用于發(fā)現(xiàn)目標。

還有一種納米機器人利用納米發(fā)動機來行走，在活的人體細胞內放置合成的納米發(fā)動機（nano motors），并通過超聲波控制它們。納米發(fā)動機在低超聲功率下對細胞的影響不大，但在提高功率后，它們會在細胞內移動，撞擊細胞結構，調和細胞的內容物，甚至刺破細胞壁。納米發(fā)動機也可通過從內部機械操縱細胞來治療癌癥、執(zhí)行細胞內手術或直接將藥物遞送到活組織。

納米技術在醫(yī)學領域的任何一項運用，都將引起一次醫(yī)療革命，甚至可以改變人類的生命。自從1981年，G．Binnig和H．Rohrer在IBM蘇黎世的實驗室發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）后，人類對納米機器人的研究發(fā)明就從未間斷過。納米機器人的研制屬于分子仿生學范疇，它根據(jù)分子水平的生物學原理設計制造，并在納米空間控制、操作。

納米機器人的可能醫(yī)療應用包括：治療動脈硬化、疏通血管栓塞、清除動脈內的脂肪沉積、精確殺死癌細胞、幫助治療身體腫塊、去除寄生蟲、治療痛風、腎臟排石和清理傷口。當你感冒時，醫(yī)生不用給你打針吃藥，而是給你在血液里植入納米機器人，這種機器人在體內探測感冒病毒的源頭，并到達病毒所在處，直接釋放藥物殺滅病毒。

目前技術已初見端倪的納米機器人

1. 釋放凝塊的納米機器人（Clottocyte nanorobot）

人體的止血過程較為復雜，整個過程需要2分鐘到10分鐘，第一階段是自然止血栓的形成，通常包含三個步驟：血小板粘連、血小板集聚形成塞狀和血小板釋放；第二階段是纖維沉積，迅速在傷口處形成隨機纖維網絡，抓捕血小板和其他血細胞，形成凝血塊。防凝塊納米機器人可以發(fā)揮類似于血小板的功能，粘在一起，以形成血凝塊止血。這種納米機器人可以存儲纖維，當它們遇到傷口后，會迅速釋放纖維以創(chuàng)建一個凝塊，所需時間相比血小板凝集的時間少很多，僅需約1秒鐘。

2. 專食細菌的納米機器人（Microbivore）

健康的人體血液通常認為是一個無菌環(huán)境。盡管血液中充滿了細菌所需的營養(yǎng)，但是血液中流動的嗜中性粒細胞和單核細胞具有吞噬細菌的能力，形成具有微生物抵抗能力的免疫防線。當然，血液中仍然可能存在少量細菌，如咀嚼或刷牙時，從牙齦縫隙處進入血液的口腔共生細菌，或是當皮膚受傷后，從傷口進入血液的細菌。這些細菌會引起諸如膿毒病、敗血癥、革蘭氏陽性菌血癥、寄生蟲血病等疾病。專食細菌的納米機器人像血液中的白細胞和嗜中性粒細胞一樣，采用“消化和釋放”機制，更快、更有效的殺滅細菌或類似侵入物，細菌或病毒感染在幾分鐘至幾小時內就被清除，而人體內具有的“噬菌”機制的防御體系，即使在有抗生素參與的情況下，也仍舊需要幾周或幾個月的時間來徹底清除血液中的細菌或病毒。此外，納米機器人也沒有其他潛在的副作用。

3. 輔助呼吸的納米機器人（Respirocyte）

輔助呼吸納米機器人的目標是代替血液中紅細胞的所有重要功能，比如將氧氣從肺部輸送至全身各個器官，控制血液的酸堿度?？茖W家Robert Freitas設計了Respirocyte納米機器人，該機器人可以攜帶90億個氧分子與二樣氧化碳，這相當于人類自然紅細胞的236倍。通過機載內部的碳酸酸性等化學傳感器和壓力傳感器，實現(xiàn)對人體內環(huán)境的檢測，并可以對機器人進行遠程控制。

這款機器人不僅可以應用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失等醫(yī)療領域，還能使得人類在跑步時，得以全力沖刺整整15分鐘而身體并不感覺到疲憊。這一程度的供氧量也可以實現(xiàn)人類能夠在水中自如憋氣長達數(shù)小時之久。

4. 可操作DNA的折紙機器人（Origami nanorobot）

德國慕尼黑工業(yè)大學（TUM）發(fā)明了最新的DNA納米裝置，它包括一個可運動的機械手、一本能開合的書和一個可切換的齒輪。這意味著利用DNA編程制造納米結構和機械的科學技術取得突破性進展。

據(jù)TUM的教授Hendrik Dietz表明：“傳統(tǒng)的DNA折紙術是通過將一條長的噬菌體單鏈DNA與一系列經過設計的短DNA片段進行堿基互補，可控地構造出高度復雜的納米圖案或結構。而折紙納米機器人就像兒童的樂高積木玩具一樣，可科學家只需要設計互補的單元，不需要再擺弄堿基對進行連接，機器人自己可以被堿基對激活并捕獲這些單元，從而達到修復DNA、植入新基因的目的。

圖為三維 DNA 折紙納米機器人進行DNA雜交（意大利烏迪內大學）

5. 治療癌癥的納米機器人

2015年5月，美國哥倫比亞大學的科學家成功研制出一種有脫氧核苷酸分子構成的機器人，它能夠跟隨DNA 的運行軌跡自由地行走、移動、轉向以及停止，研究成果表明：一旦被編程，納米蜘蛛機器人就能自動完成任務，而不需要人為介入。因此，納米蜘蛛機器人被認為是幫助人類識別并殺死癌細胞以達到治療癌癥的目的、清理動脈血管垃圾等領域的最理想工具。

關鍵技術問題

1. 導航定位問題

納米機器人在血液中使用，需要引導至合適的區(qū)域，并能實時匯報位置。目前主流的方案有兩種：外部導航定位系統(tǒng)和板載導航定位系統(tǒng)。外部導航系統(tǒng)采用的定位技術包括超聲定位、核磁共振定位機器人磁場、熒光染色定位、X光定位、微波定位和熱輻射定位。板載導航系統(tǒng)可采用微型攝像頭設備，通過視覺定位技術進行導航。另一種方式是采用化學傳感器來追蹤化學物質，精準跟隨化學物質通路，到達患處。

2. 供能問題

機器人在體內的工作離不開基本的運行能源。目前的解決方案分為外部供能和板載供能。 板載供能如將供能電極放入血液中，通過血液中的生化反應提供運行能源，或利用導體溫差的塞貝克效應（Seebeck effect）供能。外部供能是機器人攜帶光纖，在板上實現(xiàn)外部光信號轉換為電信號，為機器人供能。同理，還可以使用微波、磁場等方式，由外部能源轉化為電能來為機器人供能。

3. 生物相容性問題

由于納米醫(yī)療機器人將進入患者血液，因此需要保證機器人表面對血漿和血液中的蛋白沒有黏附性。此外，表面材料需要為惰性材料，不在血液中發(fā)生生物化學反應。避免引起人體內多種系統(tǒng)性反應如免疫反應、促凝反應、超敏反應、發(fā)熱反應等。此外，納米機器人尺寸較小，長寬高均不超過1微米，可能會引起體內巨噬細胞的吞噬，因此機器人需要設計躲避吞噬和逃離的技術。

展 望

納米機器人于2013年被美國《The New England Journal of Medicine》雜志列入全球10大最備受爭議的頂尖科技之一。但依然可以肯定的是，納米機器人將會帶給我們新一輪的精準醫(yī)療革命，這個頂尖領域將是一個潛力巨大，勢不可擋的市場。谷歌X實驗室生命科學小組負責人安德魯·康拉德于WSJD在線全球技術大會上大膽想象了更為不可思議的應用：將納米機器人當作媒介，連接人腦神經系統(tǒng)和外界網絡系統(tǒng)，為開發(fā)人腦智力和潛力帶來無法想象的革命，徹底改變生活和工作方式，甚至是人類本身。

然而，納米機器人在研發(fā)階段已遇到警示性“黃燈”。美國賴斯大學生物和環(huán)境納米技術中心主任維基·考爾文引用了兩條需要重視納米機器人的理由：一是納米機器人進入人體無法取出，二是擔心納米機器人進入人體無法控制。據(jù)2004年《自然》雜志介紹，美國紐約羅切斯特大學研究人員在實驗鼠身上完成的實驗顯示，直徑為35納米的碳納米粒子被老鼠呼吸進入身體后，能夠迅速出現(xiàn)在大腦中處理嗅覺的區(qū)域即嗅球內，并不斷堆積起來，最后導致小鼠立即死亡。但是依然有很多科學家認為對納米機器人的研究還剛起步，還不需要考慮安全問題，納米機器人是人類史詩級別的創(chuàng)新，人類要繼續(xù)勇敢的向這個偉大的領域進軍。

來源：生物谷