微米和纳米科技材料

小尺寸,大能量?揭开纳米机器人的威力

日前,北京大学工学院段慧玲教授课题组在智能微纳米变体机器人设计理论、材料和结构研制及功能化研究等方面取得重要进展,这是该团队第一次真正实现了在纳米尺度上可直接进行3D到3D复杂变形的智能变体结构,并提出了4D微纳米打印技术。

纳米级究竟是什么概念呢?我们肉眼可见的数量级是毫米级,如果想要看见纳米机器人,就需要用显微镜放大一百万倍。

什么是纳米机器人?

纳米机器人是一种在纳米或分子级别下可以被操控的机器,属于分子仿生学范畴。其“纳米”有两层含义——一方面是物理尺寸上达到纳米级的机器人,另一方面是用于执行纳米操作的机器人。

关于纳米机器人的研究目前还停留在第一阶段,即单纯的生物和机械结合体,它更多指向在医学方面进行健康检查和疾病治疗的纳米机器人。在研究人员设想的第二阶段,纳米机器人可以直接由原子或分子装配成具有某种特定功能的装置,并完成复杂的纳米级任务。在第三阶段,纳米机器人则是人工智能与纳米器械的结合。

如何制造纳米机器人?

制造纳米机器人,目前有物理和化学两种方法。物理方法是指制造纳米级精度的芯片所用到的光刻技术;而化学方法就是用化学物质合成分子零件。

制造出机器后,下一步就是让纳米机器人“跑”起来。在微观世界中,摩擦力、布朗运动等外因会对纳米机器人造成“降维打击”,因此驱动环节的实现十分困难。但正所谓办法总比困难多,研究人员也分别给出了各自领域的解决方法——物理上可以由磁场、电场作用产生动力;化学上可以依靠化学反应产生的能量来驱动前行;而从生物的角度,DNA纳米机器人的驱动依靠两条DNA结合链,当一条链和生物体内的DNA单链结合时,另一条链就是自由的,分子运动会让自由的结合链随机与另一根生物体内的DNA单链配对,这就相当于人类的双脚行走,从而实现空间的移动。

纳米机器人的应用

目前,纳米机器人在生物医学领域的应用较为广泛。一方面纳米机器人可以通过识别人体内部一些化学信号的变化,对疾病进行诊断,帮助医生在病人病情恶化前提供更有效的治疗方案。另一方面,纳米机器人被认为是最精准的靶向治疗方式。它可以通过靶向精准定位,辨析细胞好坏,精准的将装载药物作用于癌细胞。此外,纳米机器人还有协助外科手术等功能。

毫无疑问,未来纳米机器人将被运用于更多生活场景,或许它小小的身材释放的巨大能量来改变人类的工作、生活方式。(刘怡恋)

指导老师:中国传媒大学副教授于晗

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