浅谈纳米机器人的特点分析和应用现状以及发展前景

2016-02-07王玉山

制造业自动化 2016年5期

关键词：应用现状发展前景优势

王玉山，孙雪

（东北林业大学　机电工程学院，哈尔滨 150040）

浅谈纳米机器人的特点分析和应用现状以及发展前景

王玉山，孙雪

（东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040）

摘要：主要介绍国内外纳米机器人的特点和纳米机器人的优势所在。通过分析其使用特点来了解纳米机器人所实现的功能。分析了现在纳米机器人市场的应用现状和发展前景，说明纳米机器人已经逐步走进人们的视野，纳米机器人的大规模应用指日可待。

关键词：纳米机器人；优势；应用现状；发展前景

0　引言

当今时代，科学技术日新月异，越来越多高精技术走进人们的视野。其中在微机电系统中有一类很重要的发明——纳米机器人。科学家通过种种技术手段将智能机器人制成纳米级尺寸的机器人来进行各种功能操作，其中在医学方面，纳米机器人在测试阶段就已经发挥其应有的功能。通过纳米机器人携带药物和微型手术刀可以有效治疗各种症状。在现代化战争中也可以使用纳米机器人进入敌人身体扩散导致其死亡。近年来随着中国制造2025计划的推进，作为机械新时代的产物，新型机器人——纳米机器人有着更好的优势和发展前景。

1　纳米机器人的特点分析

1.1纳米机器人的概念

纳米机器人属于分子仿生学的范围，以分子水平的生物学原理作为设计原型，在纳米空间制作微型机器人。随着科学技术的不断发展，纳米机器人的优势逐渐从各个方面体现出来。纳米机器人应用于军事、医疗、人民生活方面逐渐趋于实用化［1］。

1.2纳米机器人设计分析

纳米机器人的设计优势在于其微小，所以普通的制造方法是行不通的。我们需要能操作纳米尺度的“手术刀”和可供“手术刀”操作的工作台。我国中科院沈阳自动化研究所研制出了一台“纳米微操作”的机器人系统样机，通过这个机器人我们可以实现在纳米尺度上的操作，并且该机器人的重复定位精度很高，达到了30nm。在医疗方面，该机器人也实现了很多重大改进和突破，从而实现在人体内对细胞和染色体的切割操作，并且可以通过该机器人直接从分子角度对DNA链进行检查从而查出病理以及生病原因，实现医疗上的重大突破，即精确定位病理及手术无需开刀［2］。

纳米机器人可以有许多构造形式，其基本结构是微型摄像机、有效载荷、电容器和用于游动的尾巴。像许多机器人一样，纳米机器人所要实现的功能决定了它的结构。大多数纳米机器人都是根据仿生学的原理，模仿动物或某些细胞的结构制成的。比如说，2010年5月，美国哥伦比亚大学、亚利桑那州立大学、加州理工学院等多数大学科学家组成的研究小组研制出一种由DNA构成的纳米蜘蛛机器人，这些机器人可以按照DNA的轨迹实现启动、移动、转向和停止等功能。这些纳米蜘蛛机器人是通过程序控制的。科学家可以通过编程来辨别血管中的细胞是否存在癌细胞并且可以通过编程控制纳米蜘蛛杀死癌细胞。纳米蜘蛛的成功表明了人类可以通过纳米蜘蛛在血管中杀死癌细胞［3］。

2　纳米机器人的应用现状

2.1国外纳米机器人的应用现状

国外纳米机器人大多采用了仿生学原理利用已知的生物或细胞结构作为纳米机器人的结构骨架。现在机械技术正在逐步与生物技术融合，纳米机器人很好地体现了这一点。各国科学家通过不懈努力研究出了纳米齿轮、纳米马达等纳米机械，如果将他们组装起来则可以得到纳米汽车，现在可能达不到这种程度，但其具有很高的军事潜在开发空间。

纳米机器人的前提是分子马达。美国和日本对分子马达的研究均非常火热。其中美国康奈尔大学成功研制出了以ATP为能源物质的分子马达。其以金属镍作为齿轮，以高能分子三磷酸腺苷作为能源物质，将该分子放入三磷酸腺苷溶液中以特殊酶促进ATP释放能量从而带动齿轮转动，形成分子马达。日本的分子马达由两个卟啉分子夹着纳米金属离子，组成可以自由控制转速的分子马达。这是两种不同类型的分子马达，其中由三磷酸腺苷带动的分子马达更具价值，动力更足。它实现了金属离子和自带能量分子的结合，这是一个了不起的组合［4］。

2006年，日本东京大学的科学家成功将两个分子机器人组装在一起，形成一个分子机器复合件，这个复合体像一把“钳子”一样，紫外线和可见光能够为这个超微型分子机器人提供动力。该分子机器复合体受到不同光照射时会打开和收拢，就像一把可以打开、收拢的“钳子”一样，通过这两种状态，我们可以利用它杀死血管中的癌细胞。

德国研制出了一种自动化程度很高的纳米直升机，很具军事价值，可以实现正常飞机的多种功能，可以巡逻、检测及引导导弹攻击敌方军队［5］。

为了防止双向调压井内水过快排空，可考虑关闭系统尾阀，但尾阀关闭过快，将导致尾阀进口产生较大的关阀水击压力，而且管线末端将出现汽化现象，所以拟在事故停泵后，两阶段关闭尾阀。阀门特性曲线选用等百分比特性曲线。事故停泵30秒后开始动作，30～90 秒关闭 70%，90～390秒全部关闭。事故停泵后，泵出口阀的关闭规律仍为两阶段关阀：0～11.7秒关80%，11.7～90秒全部关闭。

2.2OMOM纳米胶囊内镜系统

OMOM胶囊内镜全称为“OMOM胶囊消化道内镜系统”，它具有无痛苦，无创伤，检查方便等特点，由我国重庆某科技公司自主研发，是Given Imaging 公司之后世界上第二个胶囊内镜。该系统可以完全检查小肠，胃部存在的疾病，并且不影响患者的正常工作活动。该机器人的续航能力也超强，可以完全保证检查完全，不存在检查中该机器人就没电的情况。它的续航能力是功能与其相类似的以色列产品的2倍左右。并且通过临床实例统计发现OMOM纳米胶囊对小肠病变检出率较高，从这里我们可以发现OMOM胶囊是一款很实用的科技产品［6］。

2.3国内纳米机器人现状的总体概述

我国近几年纳米机器人技术得到长足发展，已经开始制造分子马达和纳米微操作机器人［7］，并且逐步将这些机器人应用于实际中。现在已经开始把纳米机器人应用在植物育种、林木育种之中，并且已经取得可观的成果。尤其是ATP马达的生物传感器，可以说已经达到了先进水平。这些研究成果会逐渐应用到实际之中，我们可以发现越来越多的纳米机器人已经开始用于医疗、育种和国防之中。

2.4纳米机器人的军事应用

最先进的科技往往最先应用于国防军事之中。在军事领域，纳米机器人的出现，将大大提升军队作战能力和防御能力。随着纳米机器人技术同生物技术的结合，我们可以设想将已经编程好的纳米机器人植入动物大脑之中，通过程序来控制动物身体进而完成一系列收集情报工作；也可以将植入在植物和动物体内纳米机器人大量繁殖，进而在无形之中散发有毒物质，将纳米机器人作为生物学武器来使用。同时，纳米机器人更加有助于单兵作战能力的提高，可以通过使用纳米机器人提高普通武器的作战威力，并且还可将纳米机器人作为“保命胶囊”来使用，在士兵受伤并且没有医生医治的时候，可以使用纳米机器人医治。纳米机器人攻防兼备，纳米机器人技术发展成熟后，一旦应用于军事之中，各国军队的作战方式和部队的战斗力将会大大提高。战争可能会从“信息化”战争进一步都演化为“机器人”战争［8］。

3　纳米机器人的发展前景

3.1纳米机器人的优势以及发展前景汇总

1）纳米机器人体现了人类高科技的应用。

2）纳米机器人已经逐步应用于临床医学方面。

3）当今中国制造2025计划加速了纳米机器人的发展。

4）纳米机器人加速了医疗事业的发展，通过游离在人身体中的纳米机器人，病人更容易被治疗。

5）纳米机器人比正常手术对人体伤害更小。正常手术需要动刀留疤痕，纳米机器人则完全不需要。

6）在纳米尺度范围内的操作可由纳米机器人执行，会使操作更加智能化。

7）纳米机器人的发展促进了军事领域的革新，使得传统战争变为“机器人”战争。

3.2纳米机器人会大量应用于医疗方面

现在有许多病情是外科医生用手术刀解决不了的。病源可能仅仅是一个病变细胞，所以外科医生手中的手术刀派不上用场。而如果用医药治疗会对患者的整个身体产生损伤，所以常规传统的医学手段已经满足不了人们的需求了。此时纳米机器人应运而生，医生只需要将载有数以万计的纳米机器人的药液注入病人的血管，通过事先编好的程序，有导航作用的纳米机器人就会带着执行“手术”的纳米机器人到达指定位置，然后带有“手术刀”的纳米机器人就会开展手术作业，完成治疗，最后沿着人体的消化道排出体外。这种形式的治疗可以说对人体无任何损伤，没有传统治疗手术后的疤痕，也不会有任何副作用，这将是医学史上里程碑式的“巨作”。

随着科学技术的进步和人类医疗水平的提高，纳米机器人医生将会越来越贴近人们的生活［10］。

3.3纳米机器人军事化即将成为必然

现在激烈竞争的国际形势和当下热议的钓鱼岛争端和南海争端使我国军事科学技术的发展迫在眉睫。我国应该大力发展高科技创新，纳米机器人不失为很好的选择。前文已经指出，纳米机器人在军事领域应用攻防兼备，并且可以为军队收集情报，做好信息战和机器人战的充分准备。纳米机器人有着非常重要的军事价值。人们可以通过仿生学技术将纳米机器人的外形改造成昆虫、鸟类等小型生物的外观，达到迷惑敌人的目的，进而收集重要情报。随着科技发展，纳米机器人可以做得非常小，达到“纳米尘埃”的状态，这样我们可以通过无人机将这些数以百万计的纳米机器人投放到敌人的阵营中去，从而获得珍贵的情报资源，为战争胜利奠定坚实的基础。现在有许多国家已经做成了军用纳米机器人并已投入使用，比如美国的“蜂鸟”机器人，做得非常逼真，通过其自带的传感器，可以完成其执行的任务。纳米机器人作为先进武器，一定会让军队的作战方式、作战状态有很大的改变，所以纳米机器人技术至关重要［11］。

3.4纳米机器人技术可以解决环境严重污染问题

二十世纪以来，随着科学技术迅速发展，我们周围的环境越来越差，雾霾越来越严重，河流经常被工厂排放的废水污染，地震导致日本福岛核电站核泄漏，这些污染问题，用当下常规的方式去除，效果非常慢，几年的治理，往往效果不明显，需要几十年的治理，才能有很好的效果。所以常规治理手段已经越来越跟不上时代的节奏。纳米机器人技术的出现正好为污染带来了新的解决方式。利用纳米机器人技术，我们可以快速治理污染的水源。通过将大量纳米机器人放入污染水源中，用已经设计好的传感器和程序让纳米机器人作为“分解者”将污染源分解掉，从而解决河流污染问题。利用纳米机器人技术，我们还可以解决石油泄漏污染问题。用常规方式往往不容易解决石油泄漏污染问题，从而造成大量海洋生物死亡并且造成大量经济损失。我们可以运用纳米机器人作为这些细小分子的搬运工，将它们收集到一处安全区域，从而防止泄漏时的扩散和污染。随着纳米机器人技术的发展，我相信这种处理方法不久就会出现［12］。

3.5纳米机器人会加速人类文明

目前有很多学者正在研究关于为人脑植入芯片的课题。我认为纳米机器人植入人脑，作为人类“第二个大脑”将人类智力提升也是一种不错的选择。随着科技的发展，集成度超高的芯片已经渐渐走进人们的视野。我们可以做出一个合理的设想：将高集成度芯片装在纳米机器人上将其植入大脑，通过一系列生物学连接手段让纳米机器人与人类通信，辅助人类思考，从而提高人类智力，进而加速人类文明的发展。这时纳米机器人已不是“机器人”，而是一个大小接近于细胞的工作在大脑思考区的辅助装置。这将是人类文明又一伟大的前进［12］。