? ? ? ? ? ? ? ? ?科學(xué)幻想中的納米機(jī)器人在血液中拖曳紅細(xì)胞?
?

　　一個(gè)大眾文學(xué)中對(duì)此的經(jīng)典想象，是1966年Harry Kleiner的電影《奇妙的航程》（Fantastic Voyage，艾薩克?阿西莫夫?qū)υ搫”靖木帪橥≌f）。在美蘇爭霸的冷戰(zhàn)大背景下，一隊(duì)美國科學(xué)家登上了縮小到了微米尺度的潛水艇中，進(jìn)入了一個(gè)受傷的外交官的血液中。雖然每次心跳所引起的血液波動(dòng)都讓潛艇隨時(shí)處于傾覆的邊緣，身體內(nèi)的抗體也把潛艇當(dāng)做了感染源而瘋狂攻擊，英勇的主角們?nèi)匀荒軌虿倏v潛艇在血液中化險(xiǎn)為夷，并摧毀危及生命的血栓，最終成功拯救了外交官的性命。
?

　　以上這些科幻電影中的場景，可能會(huì)讓稚氣的孩子們興奮非常，而年長的人們則難免會(huì)半信半疑，甚至嗤之以鼻。1納米是1米的十億分之一，這些比頭發(fā)絲（大約50微米，即5萬納米）還細(xì)小得多的納米機(jī)器人似乎威力無窮但又遙（微）不可及，盡管近幾十年來常常被人提起，卻又好像從未真正出現(xiàn)過。
?

　　我們究竟距離這一天還有多遠(yuǎn)？沿路有哪些艱險(xiǎn)曲折？為之付出巨大的人力物力是值得的嗎？
?

　　納米機(jī)器的三大險(xiǎn)阻
?

　　有些人認(rèn)為，納米機(jī)器終究只是科學(xué)家和科幻圈的一場小眾狂歡。這樣的質(zhì)疑和悲觀似乎十分有道理。從上世紀(jì)50、60年代以來，在世界科技發(fā)展進(jìn)步的大多數(shù)時(shí)間里，納米機(jī)器都徘徊于憧憬和夢想之中。納米尺度的物體運(yùn)動(dòng)要客服太多的艱難險(xiǎn)阻。比如，物體越小，受到空氣、水分子的無規(guī)撞擊的影響就越大，其運(yùn)動(dòng)會(huì)顯得十分無規(guī)則。這種被稱為“布朗運(yùn)動(dòng)”的效應(yīng)在宏觀上幾乎無法察覺，但在微觀上會(huì)非常顯著。布朗運(yùn)動(dòng)和顆粒的化學(xué)組成與密度無關(guān)，與溫度直接相關(guān)，因而無法根除。當(dāng)物體越來越小，就需要克服越來越明顯的布朗運(yùn)動(dòng)。因此，在納米尺度，幾乎所有的定向運(yùn)動(dòng)都會(huì)讓位于與之相比巨大得多的環(huán)境擾動(dòng)。這也使精確操控微納米機(jī)器變得極其困難。（1966年的電影中，主人公們操縱器微納米潛水艇似乎游刃有余，布朗運(yùn)動(dòng)在這一電影中被極大的忽視了）



此外，目前（2019年）最精密的機(jī)械加工精度大約是5納米，這也是英特爾等芯片廠商通過數(shù)十年的不斷進(jìn)步所取得的驚人成績。然而這樣的精度或許仍不足以制造我們所需的精密部件，來組裝成滿足需要的納米機(jī)器人，讓其有手有腳有腦有天線等。而即便我們的加工精度達(dá)到了要求，如何在納米尺度上用極其微小的鑷子將這些比頭發(fā)絲還細(xì)小一萬倍的零件一個(gè)個(gè)組裝起來，更是技術(shù)上令人咋舌、甚至無法逾越的高峰。


?

? ? ? ? ? ? ? 人頭發(fā)絲上利用雙光子光刻方法3D打印的跳舞的女人
?

　　第三，即便我們想出了高招克服布朗運(yùn)動(dòng)的干擾，也開發(fā)出了非常精密的技術(shù)以生產(chǎn)、組裝納米尺度的機(jī)器，我們?nèi)匀恍枰紤]這樣的機(jī)器如何運(yùn)作。在宏觀尺度，慣性的作用很強(qiáng)大，因而宏觀的動(dòng)物、機(jī)器可以通過簡單的手臂伸縮或者身體搖擺就能夠順暢地運(yùn)動(dòng)起來（想象一下人游泳的姿勢）。但這樣的“往復(fù)式”（reciprocal）運(yùn)動(dòng)在微觀世界則舉步維艱。對(duì)這一問題，1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Purcell在1976年的一場演講中首次提出了所謂“扇貝定律”（scallop theorem），即像扇貝一樣循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)身體部件，是無法讓微生物產(chǎn)生凈位移的，只會(huì)讓它在原地來回運(yùn)動(dòng)。因此，同樣受制于扇貝定律的納米機(jī)器人也無法利用螺旋槳、背鰭、尾翼等部件的扇動(dòng)來運(yùn)動(dòng)，而需要新的驅(qū)動(dòng)方法。


?

　扇貝定理示意圖。如同扇貝一樣往復(fù)式地打開和關(guān)閉無法在微觀世界運(yùn)動(dòng)?
?

　　為什么微納機(jī)器人不能像扇貝一樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)？非常非常簡化的解釋如下：流體的流動(dòng)通常由一組稱為納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）的非線性偏微分方程描述。對(duì)于微納尺度運(yùn)動(dòng)的物體來說，慣性對(duì)它們的影響很小，而液體對(duì)它們來說非常粘稠（所謂低“雷諾數(shù)”流體環(huán)境）。在此情況下，斯托克斯方程的簡化表達(dá)式為：
?

　　-▽p+ μ▽2u=0，▽u=0
?

　　這是一個(gè)線性方程。這意味著流體的流速與所施加的力成比例，即 ▽p= μ▽2u。由于在該方程中不存在與時(shí)間相關(guān)的項(xiàng)，且方程是線性的，這意味著對(duì)于完全往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，物體無法獲得凈的向前運(yùn)動(dòng)（即扇貝定理）。
?

　　怎樣實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器？
?

　　環(huán)境十分惡劣，又無法像宏觀的機(jī)器一樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器曾經(jīng)舉步維艱。但科技發(fā)展日新月異，今天的我們已經(jīng)擁有遠(yuǎn)勝于五十年前的知識(shí)和技術(shù)水平。納米機(jī)器的合成、制備與開發(fā)已經(jīng)逐漸變得可能。此外，人們也認(rèn)識(shí)到，自然界其實(shí)早已充滿了各式納米機(jī)器。例如，細(xì)胞內(nèi)的輸運(yùn)蛋白能夠克服布朗運(yùn)動(dòng)，在微管束組成的軌道上來來回回運(yùn)動(dòng)，像貨運(yùn)卡車一樣在細(xì)胞內(nèi)輸運(yùn)巨大的貨物；ATP合成酶精巧地旋轉(zhuǎn)一圈，借由細(xì)胞內(nèi)外的氫離子梯度，為細(xì)胞生產(chǎn)出所需的食物ATP；大腸桿菌、精子細(xì)胞、草履蟲等八仙過海各顯神通，揮動(dòng)鞭毛、纖毛，在惡劣的環(huán)境中游弋并找到食物。這些精巧卓絕的生物納米機(jī)器讓人嘆為觀止，也為我們?cè)O(shè)計(jì)納米機(jī)器提供了最寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
?

　? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?游動(dòng)的大腸桿菌的卡通示意圖
?

　　我們?cè)谶@里介紹一種很常見的讓微納米機(jī)器在流體中運(yùn)動(dòng)起來的方法。這種方法首先需要制備一種表面材料分布不均勻的顆粒，也稱為Janus顆粒。這個(gè)名字來源于古羅馬的神袛雙面神Janus，它有兩張面孔，一張回望過去，一張?zhí)魍磥怼Ｒ虼诉@種顆粒也被稱為雙面神顆粒（這也是英文單詞一月January的詞源）。最簡單的雙面神顆粒是一個(gè)微納米球，一半覆蓋了某種材料（例如金屬鉑），能夠在溶液中發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)（例如鉑催化的過氧化氫分解）。因?yàn)轭w粒兩面的材料不同，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了化學(xué)物質(zhì)濃度梯度，在此梯度下顆粒能夠因?yàn)楦鞣N不同的機(jī)制（泛泛來說是某種“泳”機(jī)制，即phoresis）運(yùn)動(dòng)起來。



?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?羅馬雙面神Janus?
?

　　這種靠化學(xué)物質(zhì)的梯度而運(yùn)動(dòng)的原理，也適用于宏觀物體。例如，漂浮在睡眠的肥皂船上的肥皂溶解在水中，因?yàn)榇男螤畈粚?duì)稱，從而形成了表面張力的梯度，拉動(dòng)了肥皂船的運(yùn)動(dòng)?！度w》中云天明就是借此暗喻了曲率驅(qū)動(dòng)這一星際航行的策略。



?

曲率驅(qū)動(dòng)的原理想象圖。通過操控飛船前后端空間曲率，實(shí)現(xiàn)飛船超光速的運(yùn)動(dòng)
?

　　這樣的微納米機(jī)器好像車頭吊著一個(gè)胡蘿卜的驢車。前面有胡蘿卜后面沒有，這樣就得到了一個(gè)“胡蘿卜的梯度”。驢感受到這一梯度，被其吸引，自發(fā)向前運(yùn)動(dòng)。這個(gè)梯度不會(huì)因?yàn)轶H車的運(yùn)動(dòng)就消失，而是無時(shí)無刻保持在驢車周圍的，因而驢車可以持續(xù)不斷的向前運(yùn)動(dòng)。這并不是永動(dòng)機(jī)，因?yàn)轶H子運(yùn)動(dòng)需要不斷消耗能量，轉(zhuǎn)化為車的動(dòng)能。事實(shí)上，很多化學(xué)驅(qū)動(dòng)的微納米機(jī)器中，其表面的化學(xué)反應(yīng)會(huì)持續(xù)不斷地消耗化學(xué)物質(zhì)，因而“胡蘿卜”會(huì)越來越小，對(duì)驢子的吸引力越來越弱，最終機(jī)器停止運(yùn)行。制造一種能夠源源不斷從環(huán)境中高效汲取能量的微納米機(jī)器一直是一個(gè)非常重要的課題。
?

　　讀者可能能夠意識(shí)到，這種利用梯度場（“胡蘿卜”）驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器的方法，和我們通常熟悉的機(jī)器的運(yùn)行方式差別極大。通常的機(jī)器，核心運(yùn)動(dòng)構(gòu)件是馬達(dá)，其運(yùn)動(dòng)是靠電磁場下轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)得到的。如前所述，這種往復(fù)式運(yùn)動(dòng)并不能驅(qū)動(dòng)微納米機(jī)器。而目前開發(fā)出來的用于驅(qū)動(dòng)微納米機(jī)器的梯度場方法，往往效率低下，控制也很差，也并不會(huì)有人用這樣的方法驅(qū)動(dòng)汽車。但這是我們目前針對(duì)微納米機(jī)器人的特殊環(huán)境和限制所不得不做出的犧牲。
?

　　納米機(jī)器前景誘人
?

　　在工作原理、制造、控制等幾個(gè)方面，納米機(jī)器都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但也孕育著巨大的回報(bào)。納米機(jī)器人在生物、醫(yī)藥、環(huán)境、軍事、航天等多個(gè)國計(jì)民生重大領(lǐng)域有巨大的潛在用途，或許能夠讓世界產(chǎn)生我們做夢都無法想象的變革，因而吸引著一批批科技工作者前赴后繼投身這個(gè)領(lǐng)域。
?

　　在來自世界各地（包括中國）的科研人員的不懈努力下，如今在國際范圍內(nèi)掀起了微納米機(jī)器研究的新熱潮。自21世紀(jì)初以來，人們合成出了許許多多不同種類的微納米材料及精巧的分子，并通過化學(xué)能、電能、磁能、光能、聲能、熱能等各種供能方式，讓這些人工制造的分子與顆粒在微納米尺度運(yùn)動(dòng)起來。研究人員發(fā)布了數(shù)以千計(jì)的論文、專利、學(xué)術(shù)報(bào)告，來討論這些材料的合成、驅(qū)動(dòng)機(jī)制、相互作用機(jī)理，并結(jié)合理論和數(shù)值模擬，對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行縝密而全面的分析。2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，就頒給了三位超分子領(lǐng)域的專家，以表彰他們?cè)诜肿訖C(jī)器合成領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)。



?

　? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2016年化學(xué)諾獎(jiǎng)三位得主?
?

　　目前，一大批科學(xué)工作者和工程師們通過精心設(shè)計(jì)，已成功將在微米尺度游動(dòng)的微納米機(jī)器人應(yīng)用于生物探測、智能載藥、可控藥物釋放、血栓清除、殺死腫瘤細(xì)胞、環(huán)境污染物監(jiān)測、環(huán)境治理、微納米組裝等多個(gè)領(lǐng)域。




　石墨烯包覆的微米管在過氧化氫中噴射氣泡運(yùn)動(dòng)，清除水中的污染物



?

　? ? ? ?在超聲波驅(qū)動(dòng)下，雙金屬微米棒在宮頸癌細(xì)胞內(nèi)翻騰攪動(dòng)
?

　　特別需要指出的是，雖然納米機(jī)器人有許多潛在的應(yīng)用，社會(huì)大眾也對(duì)這方面的研究十分關(guān)注，但納米機(jī)器人的研究不僅僅是應(yīng)用研究，也不僅僅涉及工程領(lǐng)域。事實(shí)上，這是一個(gè)學(xué)科高度交叉的研究領(lǐng)域，涉及物理、化學(xué)、材料、生物等多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)研究。
?

　　例如，微納米機(jī)器的制備往往不能依靠機(jī)械加工手段（即便是精密的微納加工技術(shù)也力有不逮），而是要通過物理、化學(xué)的方法合成、制備出具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的分子和微納米材料。而這些材料如何在各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境和參數(shù)條件下，按照人們的需要作出前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，離不開對(duì)于其電學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)性質(zhì)等方面的深入了解，以及對(duì)其周圍環(huán)境中化學(xué)場、流體場、電磁場的認(rèn)識(shí)。
?

　　此外，“一個(gè)好漢三個(gè)幫”，在種類繁多的應(yīng)用中，納米機(jī)器人想必也需要和眾多同伴們相互協(xié)作。因此，它們之間的相互作用、自組裝、群體行為、通訊機(jī)制等，對(duì)于其應(yīng)用也是需要仔細(xì)研究的問題。除此之外，還有眾多大大小小的科學(xué)問題等著科學(xué)家們?nèi)ヌ剿?，并基于這些發(fā)現(xiàn)，來開發(fā)出新型的納米機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、控制和應(yīng)用技術(shù)。



?

? ? ? ? ? ? ? 哈佛大學(xué)研制的毫米尺寸機(jī)器人能夠自組裝為特定形狀
?

　　而在另一個(gè)完全不同的領(lǐng)域，軟凝聚態(tài)物理學(xué)家們將微納米機(jī)器人用作一種模型（他們稱之為“活性膠體”），用于模擬、理解生命中的許多涌現(xiàn)現(xiàn)象（emergence）和復(fù)雜體系行為(complexity)。這一研究領(lǐng)域被稱作“活性物質(zhì)”，近年來在國內(nèi)外也引起了極大的關(guān)注?；蛟S有朝一日，微納米機(jī)器人能夠不僅治療癌癥，還能夠在物理學(xué)家的努力下，幫助我們理解腫瘤的形成和轉(zhuǎn)移機(jī)制，以及鳥群、魚群等自然界復(fù)雜的群體行為。



?

　　海洋中的許多魚類能夠自發(fā)組織成大型的魚群以嚇阻捕食者
?

　　納米機(jī)器是不是威力無窮？能不能實(shí)現(xiàn)我們寄予厚望的各種奇妙的功能？我們現(xiàn)在還不得而知。但幾乎每一天都會(huì)看到相關(guān)研究取得了有趣和有意義的進(jìn)展，相關(guān)的新聞報(bào)道也屢見不鮮。最后，附上一段網(wǎng)絡(luò)媒體[1]2013年對(duì)于微納米機(jī)器人的描述。或許實(shí)現(xiàn)這些夢想的那個(gè)“將來某一天”已經(jīng)并不遙遠(yuǎn)。
?

　　“將來某一天，一名腦血栓病人躺在醫(yī)院手術(shù)室中等待接受危險(xiǎn)的腦血栓移除手術(shù)，然而，為他做手術(shù)的并不是穿著白大褂的醫(yī)生，而是兩百萬個(gè)肉眼看不見的“納米機(jī)器人”！它們被裝在一個(gè)透明的玻璃瓶中，當(dāng)醫(yī)生將裝有納米機(jī)器人的液體注入患者血管后，這些“納米機(jī)器醫(yī)生”開始游向患者腦部，然后分工合作為患者做手術(shù)。
?

　　一些納米機(jī)器人會(huì)從事導(dǎo)航任務(wù)；一些納米機(jī)器人會(huì)從事信號(hào)傳遞任務(wù)，以便讓手術(shù)室中的外科醫(yī)生能從電子屏幕上監(jiān)控手術(shù)情況；一些納米機(jī)器人負(fù)責(zé)用“納米鑷子”夾住血栓，讓另一些納米機(jī)器人用“納米手術(shù)刀”將血栓切成無數(shù)小塊然后運(yùn)走；最后一批納米機(jī)器人則給患者大腦中的受傷組織直接上藥，好讓這些手術(shù)傷口能盡快痊愈。整個(gè)手術(shù)耗時(shí)不到半小時(shí)，當(dāng)手術(shù)成功結(jié)束后，所有納米機(jī)器人都會(huì)在患者的血管中進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，等待從他的身體中排泄出去?！?br> ?