纳米机器人

常晓

1987年，在美国上映的科幻大片《惊异大奇航》中，这样一个情节令人印象深刻———科学家把变微小的人和飞船注射进人体，让这些缩小的“参观者”直接观看到人体各个器官的组织和运行情况。这是人类关于纳米机器人最早的猜想。

事实上，随着人工智能、生命医学、纳米科学等技术的发展、合作和融合，促使了机器人在疾病预防、诊断和治疗应用上也绽放出不一样的火花，尤其是微型纳米机器人，近年来在生命医学领域发展十分迅速，且应用广阔。科学家们研发的小型、多功能化机器人只有几微米的尺寸，甚至于更小。这些微型纳米机器人可以穿过复杂的生物结构或者狭窄的毛细血管，进行局部诊断、成像、运载活检样本、靶向释放药物等操作。不仅如此，有些微型纳米机器人由生物相容性材料构成，甚至可以完成任务后在人体内逐渐降解、消失。

试想一下，或许不久的将来，当您感冒时，不用再打针吃药，医生只需在你血液里植入纳米机器人，机器人在体内探测出病毒源头，并到达病毒所在处“消灭”它……

人类的体内医生

“纳米机器人”的概念是由诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出的，他认为，人类未来有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个原子作为建筑构件，在非常细小的空间里构建物质。

“极限环境，是纳米机器人‘施展才华最重要的舞台，其中就包括在人体内部精密组织中的定点药物投送、靶向治疗，以及在强酸、强碱、辐射、有毒环境下的高危作业等。”智能专家介绍，纳米机器人是高度集成的系统，要求具备驱动单元、控制单元、传感单元，同时针对不同功能需要具备对应的工作单元，如靶向治疗时需要的药物储存和投送单元等。从现阶段来讲，受工业水平限制，纳米机器人在驱动、控制、传感反馈等方面都存在研究瓶颈。“尽管如此，纳米机器人无疑是纳米生物医学中最具诱惑力的内容。近年来，国际国内也取得了很多研究成果。”

2012年7月，美国佛罗里达大学的科学家研制出一种能够100%地杀灭丙肝病毒的纳米机器人。2013年12月，韩国全南大学的科学家研发出可对大肠癌、乳腺癌、胃癌和肝癌等高发性癌症进行诊断和治疗的纳米机器人。2014年4月，以色列巴伊兰大学的研究人员成功地用DNA链造出了一种能在活动物体内按照编制的程序执行逻辑操作的医用纳米机器人。2016年7月，瑞士洛桑联邦理工学院的科学家研发出可将药物投递到特定位置或者进行精准操作的纳米机器人……

“让纳米机器人进入人体进行血管探测、去除癌变细胞、进行定点给药，一直是科学家们研究的重点。”专家指出，按照科学家的设想，医生只需将载有数以万计的纳米机器人的药液注入病人的血管，有导航作用的纳米机器人会沿路线到达指定位置，然后开展手术作业。完成治疗后，它们再沿着人体的消化道排出体外。“这种治疗对人体没有损伤，没有传统手术后的疤痕，副作用很小。若能实现，将是医学史上里程碑式的巨作。”

纳米机器人的广阔舞台

纳米技术在医学领域的任何一项运用，都将引起一次医疗革命，甚至可以改变人类的生命。那么，纳米机器人在医疗上应用有哪些？

因实现药物的靶向运输现有的纳米机器人实现药物运输依赖于体循环，缺少定点运输、组织渗透等驱动和导航能力。为了实现药物在疾病部位的精准释放，药物运输机器人需要具备强大的驱动力、导航系统、药物释放和组织渗透的能力，科学家们对其充满期待。

很多初步研究已经很好地在体外、试管中展示了纳米机器人在药物运输上的潜能，例如多层管状聚合纳米机器人被证实可以通过多孔膜逐层装载抗癌药物阿霉素，且可以到达癌细胞附近。不少用于药物运输的微型/纳米机器人正处于研发早期，其中细胞内运输是该领域的热门研究方向。纳米机器人能够穿透细胞膜，并直接运输各种治疗药物进入细胞内部。

因实现手术的精准操作手术机器人已经展现出减少复杂外科手术风险、拓宽外科医生能力的优势，这类机器人有望协助医生实现更高精度、更灵活和可控性的微创手术。与大型器械不同的是，微型机器人配备有高分辨率三维内镜，可以在患者体内灵活转动，有望突破传统外科手术的局限，将微创技术更广泛地应用于复杂的外科手术。

此外，磁驱动微型纳米机器人在体内微创手术领域也展现出很大的应用前景，因为磁场可以穿透较厚的生物组织。科学家们已经证实，植入式磁驱动微型机器人可以在兔子的眼后段进行手术。

因实现疾病的精准诊断得益于自主的运动性能、简单的表面功能化以及高效捕获、分离目标物的优势，微型纳米机器人在疾病精准诊断上同样也发挥着很大的作用。微型纳米级传感策略依赖于人工马达的能动性，借助于携带不同的生物受体，机器人能够穿過样本实现与特定生物分子的即时互作。借助这一原理，纳米机器人可以识别、隔离体液中的靶向分子，包括蛋白质、核酸、癌细胞等等。

因实现解毒类似于生物传感，解毒功能依赖于纳米机器人快速捕获、清除毒素。通过包裹上特定的材料，机器人可以在体内“巡逻”并“抓捕”有毒物质。这类机器人的工作原理类似于天然清理毒素的细胞，例如血红细胞（RBCs）。已有科学团队研发出携带有包裹了RBC细胞膜的镁微粒的机器人，研究表明它能够有效吸收、中和体液中的α-毒素。此外，也有研究团队将红细胞膜与超声驱动的纳米机器人整合在一起，用于清除血液中的成孔毒素。

未来大有用武之地

过去十多年，微型纳米机器人从一个未知、多功能平台发展至集成纳米技术、人工智能等优点的技术。从药物运输、精准手术到细胞水平灵敏检测生物分子、高效清除有毒化合物，这意味着纳米机器人有望贯穿疾病诊疗、预防的全过程。

当然，目前微型纳米机器人在医疗领域的应用还处于起步阶段。发挥微小机器人的全部潜能面临很多未知和挑战。其中，一个重大挑战是筛选到新能源，它需要具备长期自主操作、较好的生物相容性等特性。虽然不同的化学反应和外部刺激可以驱动微小机器人的运动，但是新的替代燃料和驱动机制很有必要，它们有望确保机器人在体内更安全、持续地运行。

未来，微型机器人无疑会朝着更加智能的方向发展，具备高流行性、可变形结构、可持续操作、精准控制等可能，机器人之间还有望实现集群智能合作，甚至于自我进化、自我复制。在此，我们也将拭目以待！