微納米機器人：探索神秘的微觀世界

微納米機器人：探索神秘的微觀世界對人類而言，微觀世界仍然存在很多謎題——無論是地球上生命力最頑強的微型生物水熊蟲，還是被譽為“微生物工廠”的微米級大腸桿菌，甚至是可寄生在大腸桿菌中的納米級噬菌體，以及蘊含著神秘生命起源的分子基因編碼DNA，人們均知之甚少。近半個世紀以來，人們一直渴望制造出一種能進入微觀世界的微型機器人，披上水熊蟲的“軟猬甲”，潛入大腸桿菌的“大腦”，聆聽噬菌體的“私語”，指揮基因合成蛋白質(zhì)，與細胞協(xié)同完成生命的演化，代替人類“看看”微觀世界到底發(fā)生了什么。也許就在不遠的將來，這一愿望就能實現(xiàn)——微納米機器人。別有洞天的微觀世界微觀世界是一個神奇且充滿未知的“洞天福地”，存在著眾多令人難以置信的神奇景象。隨著尺寸減小，微尺度時空效應(yīng)也逐漸顯現(xiàn)。在這里，物體的表面積相較體積的比率成反比例增加，這意味著在微尺度世界里，能量的耗散作用更加劇烈，生命體的代謝加快、生命周期縮短；微流體環(huán)境的低雷諾數(shù)特性表現(xiàn)出黏滯力占優(yōu)，慣性力可被忽略，物體像是被放置在非常黏稠的蜂蜜里一樣。到了納米尺度，物體還會受到更加強烈的分子間相互作用力，如范德華力等。此時，物體所受重力作用可被近似忽略，同時，受到分子的機械沖撞更加顯著，無規(guī)則的布朗運動也相對更劇烈。在這種看似極端惡劣的微觀世界中，卻存在著種類繁多的微小智能體，它們展現(xiàn)出頑強的生命力和奇異功能。例如，水熊蟲是一類體長在亞毫米的微型無脊椎動物，憑借獨特的生理構(gòu)造和強大的基因修復(fù)能力，可在環(huán)境惡化時展現(xiàn)出獨特的隱生“絕技”，以耐受酷熱干旱、接近絕對零度的極寒冰凍、高海拔缺氧、深海高壓、外太空高劑量輻射等極端環(huán)境。在肉眼難以分辨的微生物世界，還存在著數(shù)量驚人的微米級單細胞生物，如原生動植物、細菌、真菌、支原體、衣原體等。它們廣泛分布在自然界中，與人類的生產(chǎn)、生活和生存息息相關(guān)。此外，僅由核酸分子和蛋白質(zhì)保護外殼構(gòu)成的病毒，由于不具備完整的細胞形態(tài)且脫離宿主，無法獨立完成新陳代謝，通常被認為是非生命體。但它們卻具有選擇性吸附宿主，并在侵入后借助宿主細胞提供的原材料，完成自我復(fù)制增殖的能力，展現(xiàn)出令人嘆為觀止的群集智能與行為。不僅如此，微觀世界的運行是高度組織化的。眾所周知，細胞是構(gòu)成生物體的基本單位，其內(nèi)部更像是一間復(fù)雜繁忙卻組織有序的“微機器工廠”。細胞核是工廠的控制中樞，在酶催化作用下含有信息編碼的DNA在這里完成復(fù)制并轉(zhuǎn)錄成mRNA。經(jīng)過剪接與修飾后的mRNA進入細胞質(zhì)，在蛋白質(zhì)的合成車間——核糖體內(nèi)進行翻譯，并將眾多單個的氨基酸組裝成蛋白質(zhì)長鏈。這些蛋白質(zhì)再經(jīng)過包裝和修飾，由“貨運機車”驅(qū)動蛋白以微管為導(dǎo)軌運輸?shù)街付▍^(qū)域。而機車動力是由工廠中的“發(fā)電站”線粒體經(jīng)過氧化代謝產(chǎn)生的分子燃料電池ATP提供。這個微機器工廠的整個運行過程如何做到如此精準、可控且高效，一直是科學(xué)家們期望解開的生命體的終極謎團。這對揭示微觀生命的謎團，提高生物合成效率，改進生物代謝的方向或路徑均具有重要意義，可為未來人類可持續(xù)發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐與物質(zhì)保障。為探索微觀世界而生的微納米機器人大自然鬼斧神工，可在微納米尺度上建造像DNA、核糖體、噬菌體、大腸桿菌等如此精妙的智慧生命體。工程上，科學(xué)家也在試圖模仿大自然的方式，在微尺度層面創(chuàng)造相似的人造智能體，借助它們進入微尺度，參與調(diào)控生命體各個維度不同階段的生長和演化，并通過這些人造微機器與有機生命體間的交互協(xié)同，最終實現(xiàn)自組織，涌現(xiàn)出可控的系統(tǒng)性宏觀行為。這里，我們來粗略定義“微納米機器人”：它們是一種智能微機械系統(tǒng)，尺寸通常從亞毫米到幾十納米，被考慮用于在復(fù)雜微尺度環(huán)境下適應(yīng)性地自主完成可控微操作。機器的微型化提供了一種探索微觀世界的全新視角和有效工具，微納米機器人技術(shù)的發(fā)展對探索生命的奧秘具有重要意義。在科研探索方面，作為先進機器人學(xué)的重要分支之一，微納米機器人學(xué)是一門集眾多重大科學(xué)問題與前沿?zé)狳c技術(shù)的新興交叉學(xué)科，涵蓋物理、化學(xué)、生物、力學(xué)、材料學(xué)、微納制造、微機電系統(tǒng)、機器人學(xué)、微動力學(xué)、微電子、信息與控制、生物工程、生物醫(yī)藥、臨床醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科。說起微納米機器人的歷史，我們或許可以追溯到20世紀60年代。美國理論物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者理查德·費曼于1959年12月29日在加州理工學(xué)院發(fā)表的演講中首次提及納米技術(shù)，他這樣描述這一神奇的技術(shù)：“底部有足夠的空間”。這個劃時代的論述不僅奠定了納米技術(shù)的概念，也預(yù)示了微納米機器人與納米醫(yī)學(xué)時代的到來。根據(jù)費曼的說法，他當時的博士生阿爾伯特·希布斯最早提出“吞噬外科醫(yī)生”的大膽構(gòu)想，并指出“或許可以在體內(nèi)永久植入一些微小機器來協(xié)助某些功能不足的器官正常工作”。這個“瘋狂”的想法，隨后被改編成通過微縮技術(shù)，將潛艇縮小到微生物尺寸并注入人體修復(fù)腦損傷的情節(jié)，拍成了著名的科幻電影《奇幻航程》。值得一提的是，這種以微縮的形式進入體內(nèi)的想法早在我國古代明朝中葉成書的《西游記》中就有類似的情節(jié)，例如孫悟空幻化成飛蟲鉆入鐵扇公主腹中，可隨心所欲變化大小的如意金箍棒等。我國東晉葛洪所著的《神仙傳·壺公》中也提到過類似微縮時空的法術(shù)：“（費長）房有神術(shù)，能縮地脈，千里存在，目前宛然。”半個世紀后的2008年，費曼當年的奇妙構(gòu)想，終于被瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團隊成功實現(xiàn)——人工“磁螨”。這個機械螨蟲的尺寸在亞毫米級，在高頻振蕩磁場驅(qū)控下，通過將錯位磁塊相互撞擊產(chǎn)生的慣性沖擊轉(zhuǎn)化為前進推動力，以此實現(xiàn)對微小物體的精準操控。2009年，該團隊又通過仿生大腸桿菌的螺旋運動研制出人工“細菌鞭毛”，這種由納米異質(zhì)薄膜自卷曲技術(shù)制造的三維微螺旋，可在低場強旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)控下完成精準的靶向藥物遞送。早期的研究更多聚焦在探索如何設(shè)計將各類能量形式轉(zhuǎn)化為機械能的微執(zhí)行機構(gòu)，因此也經(jīng)常將其形象地稱為微納米馬達。近些年，隨著軟物質(zhì)材料、微納增材制造和人工智能的興起，微納米機器人學(xué)開始從單一結(jié)構(gòu)功能化，向著使機器適應(yīng)微尺度復(fù)雜環(huán)境和多任務(wù)需求的智能化方向發(fā)展。如今，微機器智能化的研究已初具雛形，包括微動力與精準操作、微機械增益、軟體適應(yīng)性、柔順連續(xù)體、模塊化重構(gòu)、信息存儲與處理、混合雜交優(yōu)勢、仿生與優(yōu)化、微系統(tǒng)集成、自組織交互與群集智能，以及分子自組裝/復(fù)制/生長等多個熱門方向。目前，該領(lǐng)域最前沿的工作都在嘗試解釋或解決，如何在微尺度下賦予機器真正智能這一核心問題，共同指向了微機器功能化的終極目標和最高階段：微機器智能，或微尺度人工智能。具有廣闊的應(yīng)用前景近些年，新興的先進材料與納米技術(shù)推動了微納米學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，研究涉及從分子層面的可控自組裝分子馬達、DNA折紙，到微納尺度的復(fù)合式機械傳動裝置、可重構(gòu)式柔性變體微機器、雜交式生機電系統(tǒng)、集成式微電子微機器、交互式納米腦機接口，以及如撲翼式機械昆蟲的毫米級微型機器人等眾多前沿方向。這些人造微機器具有尺寸微小、無損微創(chuàng)、超輕便攜、操控精準、功能集成度高、易于大規(guī)模制造等獨特優(yōu)勢，且具備超高靈敏度與響應(yīng)能力、增強的穩(wěn)定性與魯棒性、極低的能量耗損等微尺度性能，對精準醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程、智能制造、生命科學(xué)以及人工智能等眾多領(lǐng)域的技術(shù)革新與場景拓展具有不可替代的推動作用。在醫(yī)學(xué)方面，微納米機器人在微創(chuàng)介入、靶向輸運、快速救治、早期診斷及組織修復(fù)等精準醫(yī)療領(lǐng)域潛力巨大，如利用微納米機器人進入肝腎腫瘤、腦動脈瘤、外周組織器官，對微細供血動脈進行栓塞封堵及血栓清除，通過蛛網(wǎng)膜下腔，進入并精準操控中樞神經(jīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)治療中晚期癌癥疼痛控制，利用植入式多傳感器系統(tǒng)在體監(jiān)測生理體征等。除此之外，微納米機器人未來也能在河海污水凈化、大氣污染防治以及生物降解與催化等環(huán)境工程領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。這些微小智能體，可在外場驅(qū)動下，自組織群集運動，來精準調(diào)控局部流場微擾動，對特定環(huán)境條件進行趨向性響應(yīng)，并通過攜帶、運載及釋放生物酶或催化劑，有選擇性地識別污染物，加快反應(yīng)進程，大幅提高有機分子、毒/核素、海洋油污、致病微生物、微塑料、重金屬及放射性等污染物的捕獲、去除、降解或修復(fù)效率。由于自身尺寸小，微納米機器人具有極高的空間自由度、超冗余靈巧性，可以潛入傳統(tǒng)機器人無法到達的受限空間內(nèi)完成精細化操作，在復(fù)雜三維超材料加工、微電子電路裝配與封裝、微腔道內(nèi)探測與檢修等高端裝備制造領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢。特別值得關(guān)注的是，人類能否在微尺度建造類似于細胞內(nèi)的“蛋白質(zhì)合成工廠”，其關(guān)鍵在于如何構(gòu)建用于氨基酸可控組裝且具有高度可識別性的DNA編碼，來精準指導(dǎo)蛋白質(zhì)的有序合成。已有的研究顯示，納米磁編輯技術(shù)可在納米級精度上將多模態(tài)變體信息嵌入微機器，而其更重要的價值體現(xiàn)在，利用納米磁編碼，可構(gòu)建起類似于DNA雙螺旋的堿基配對。由此，對微納米機器人進行組織化分工，可以高效有序地進行各類功能微單元的可控裝配，未來有望利用該技術(shù)在微尺度下真正實現(xiàn)由“機器制造機器”的“微機器工廠”。當然，微納米機器人的舞臺遠不限于此，它面向各類實際應(yīng)用的潛力無限。我們現(xiàn)在有許多問題找不到理想的答案，但每一個問題都如此令人著迷：DNA分子計算機是否可以超越量子計算機？微型飛行器的最小尺寸是多少，微米甚至納米級？人工智能的物理極限是什么，最小智能體單元是單個氫氧分子嗎？納米醫(yī)生與長期在體植入，納米腦機接口與單神經(jīng)精準操控，跨尺度交互如何實現(xiàn)……由此產(chǎn)生的革命性顛覆技術(shù)都將是微納米機器人未來極具潛力的發(fā)展方向。微納米機器人已不僅僅存在于科幻電影中，各國科學(xué)家們正在積極推動它們從基礎(chǔ)研究邁向真正的實際應(yīng)用場景，人們對它有一天能夠造福人類和改造世界充滿遐想和期待。盡管如此，我們需要清醒地認識到，微納米機器人這一領(lǐng)域才剛剛起步，廣泛的多學(xué)科交叉，會帶來更多集成創(chuàng)新的棘手難題，還需要從國家層面，積極引導(dǎo)不同學(xué)科最前沿領(lǐng)域的科學(xué)家深度協(xié)同攻關(guān)，快速推動微