纳米机器人,真有传说的那么神吗?
本文来自公众号我是科学家 iScientist(ID:IamaScientist),作者圆的方块,爱范儿经授权发布。
「纳米机器人」是电影和科幻小说中的常客,一次又一次闪耀登场施展绝技。在许多人的印象中,它们就是缩小无数倍的变形金刚。
以「纳米机器人」为关键词,出现的搜索结果,画风都是酱婶的:
纳米机器人是啥?要怎么造?
▲化学方法可以合成一系列分子级别零件:一个典型的纳米开关示意图,通过改变pH可以控制特定的分子进行移动 | 参考文献[1]
还有一些硬科技,可以用来造纳米零件,比如光刻技术。
光刻技术主要用于制造芯片,是人类掌握的少数几种可以实现纳米级精度的加工技术。美国加州理工学院科学家们采用光刻技术可以造出分辨率为25-100纳米的复杂三维金属几何图形[2]。2019年,美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的科学家们开发了一种「飞秒投影双光子光刻」技术,可以将传统技术的加工速度提升1000倍,只需要8分20秒就可以打印出一个芝麻大小的微纳结构,加工精度保持在纳米级别[3]。
▲通过飞秒投影双光子光刻技术制造的复杂三维微观结构 | 参考文献[3]
无论是化学法或光刻法,制造出来的是纳米零件,这些零件需要进一步组装成机器人。如何实现微观尺度的组装,是「纳米机器人」研究的另一难关。
早在上世纪80年代,人们就实现了对单原子的控制。2005年,中国科学院成功将一个4微米长、100纳米粗的碳纳米管,准确地移动到了一个刻好的沟槽里[4]。然而,如何大规模进行纳米组装仍是问题。
2015年,法国国家科学院的一个研究小组,成功合成了一种长长的聚合链,通过超分子键把成千上万的纳米机器结合在一起,每个纳米机器都能产生约1纳米的线性伸缩运动。积少成多,这数万个小纳米机器的运动整合起来,可以使聚合链产生10微米的收缩舒张,就像肌肉组织中那样[5]。
▲积少成多:上万个纳米零件的协同运动,可以产生大尺度的变化 | 参考文献[5]
即便如此,这些研究也只是实现了「纳米零件」的简单聚合,真想要装配出电影中那种微如针尖的万能机器,人类还有很多路要走。
如何让纳米机器人动起来?
▲纳米发动机示意图 | 参考文献[8]
不过,别被这种高大上的宣传图骗到。实际上,这种纳米发动机只不过是一种成分为金、镍的纳米线,可以在电场作用下旋转。指望它能带动机器人,为时尚早。
▲纳米发动机的真身不过是一个纳米线 | 参考文献 [8]
除了用电场,还能用磁场。来自MIT的科学家们借鉴了细菌鞭毛的模样,用3D打印技术造出了只有细胞大小螺旋状机器人,并称其为「人造细菌鞭毛」。这种螺旋形状可以帮助机器人更好地在血液中移动。之后他们在机器人的表面涂上了镍钛双涂层,使其具有磁性。他们能够通过外部磁场控制,人造细菌鞭毛的行动路线,使其在如同血管的通道中旋转和移动[9]。
也有学者脑洞大开,想到从能运动的细胞那里「借力」。德国的一个研究团队使用钛-铁纳米薄膜做出了一种空心管,之后他们控制精子钻到管子里,从而做出了一种精子驱动的纳米机器。因为纳米空心管的独特机构,精子的头会卡在里面,而尾巴仍然暴漏在外面。通过改变温度等条件,可以控制精子的移动路线和速度,从而控制这个「精子机器人」[10]。
▲精子钻进纳米小管里,作为动力源 | 参考文献[10]
研究者用的是牛精子。在宏观世界里,牛就可以用于拉车。万万没想到,微观世界里,它们的精子还要做「纳米界的牛车」。
目前的纳米机器人能干什么?
▲首届纳米车大赛参赛的「纳米车」示意图 | foresight.org
当然,这些到底是不是「车」,你也可以持保留意见的,但这场赛事背后的意义远不只「找乐子「这么简单。纳米车大赛实际上是挑战了人类对单分子的极限操控能力。科学家们也想借此引起人们对纳米机器的关注,他们甚至和国际汽联签署了合作协议来推动纳米车大赛的发展。
对于「纳米机器人」,虽然我们目前能看到的成品十分简单,有些甚至只能算是一些「纳米的小零件」。也许,将来的一天,生病的你来到医院,医生开出的方子上会写着:「注射5毫升纳米机器人,多喝热水」。
未来并不遥远,但也没那么近。希望技术的快速迭代,能早日让纳米机器人造福人类。
[5] Du, G., Moulin, E., Jouault, N., Buhler, E., & Giuseppone, N. (2012). Muscle‐like supramolecular polymers: Integrated motion from thousands of molecular machines. Angewandte Chemie International Edition, 51(50), 12504-12508.
[6] Castro, C. E., Kilchherr, F., Kim, D. N., Shiao, E. L., Wauer, T., Wortmann, P., … & Dietz, H. (2011). A primer to scaffolded DNA origami. Nature methods, 8(3), 221.
[7] Li, S., Jiang, Q., Liu, S., Zhang, Y., Tian, Y., Song, C., … & Chang, Y. (2018). A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. Nature biotechnology, 36(3), 258.
[8] Kim, K., Xu, X., Guo, J., & Fan, D. L. (2014). Ultrahigh-speed rotating nanoelectromechanical system devices assembled from nanoscale building blocks. Nature communications, 5, 3632.
[9] https://new.qq.com/omn/20190504/20190504A06FRH.html
[10]Magdanz, V., Sanchez, S., & Schmidt, O. G. (2013). Development of a sperm‐flagella driven micro‐bio‐robot. Advanced Materials, 25(45), 6581-6588.
[11] Wu, Z., Li, L., Yang, Y., Hu, P., Li, Y., Yang, S. Y., … & Gao, W. (2019). A microrobotic system guided by photoacoustic computed tomography for targeted navigation in intestines in vivo. Science Robotics, 4(32), eaax0613.
[12] Castelvecchi, D. (2017). Drivers gear up for world’s first nanocar race. Nature News, 544(7650), 278.