伟大的渺小

文｜马 迪

现实与科幻到底有多少差距？纳米机器人到底能干啥？

机器人是电影和科幻小说中的常客，要是没几个机器人角色都不好意思说自己是科幻大片。而肉眼看不见的“纳米机器人”又是其中翘楚，每次出现都是“黑科技”的代名词—要么是缩小无数倍的潜行者，要么是改造人体的催化剂，总之神乎其神，真正诠释了想象力的天马行空。

现实与科幻到底有多少差距？纳米机器人到底能干啥？

虽然从广告上常常听到纳米技术这个名词，但绝大多数只是概念而已。纳米（nm）又叫毫微米，即0.000001毫米。这意味着要将一根普通的头发（直径0.05毫米）纵向平均剖成5万份才能得到1纳米。

1959年，诺贝尔奖得主理论物理学家理查德·费曼在一次著名的演说中提出了许多微观尺度上的构想，比如如何在针尖上写下24册的大英百科全书、如何在原子的尺度上加工和制造微型计算机等等。今天，只要在网上搜索“Plenty of Room at the Bottom”就可以直接领略大师当时的风采（80分钟），费曼因此也被称为“纳米技术之父”。

费曼率先提出利用微型机器人治病的想法：病人可以吞下这种“极小同时按我们计划行事、听从人类指挥的机器”，任其在人体内进行手术和治疗。这就是纳米机器人概念的雏形。由于过于超前，在演讲发布的最初20年里几乎毫无进展，直到1981年扫描隧道显微镜以及在此基础上的原子显微镜问世，纳米机器人研究才成为可能。

早在20世纪80年代，人们就实现了对单原子的控制，第一代纳米机器人就是生物系统和机械系统的有机结合体。（例如用碳纳米管做结构件，分子马达做动力组件，DNA关节作为连接件）

直接利用原子或分子装配成具有特定功能的装置被称为第二代纳米机器人（例如直接用原子、DNA片段或蛋白质分子装配）。2015年，法国国家科学院的一个研究小组，成功合成了一种很长的聚合链，通过超分子键把成千上万的纳米零件结合在一起，每个都能产生约1纳米的线性伸缩运动，积少成多使这条聚合链能够产生10微米的收缩舒张，就像肌肉组织一样。

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样灵活的纳米机器人，还有很长的路要走。更何况，理论上的第三代纳米机器人将在第二代的基础上增加控制器（如纳米芯片、纳米计算机等），就更加遥不可及了。

除了怎么“做出来”，还有一个关键问题，是如何让纳米机器人“动起来”。

机器人的工作离不开基本的运行能源，一般会用到电场或者磁场，比如麻省理工大学的科学家在纳米机器人的表面涂上了镍钛双涂层，使其具有磁性，这样就能够通过外部磁场控制其行动路线。

2017年，来自三大洲的6支队伍在法国进行了一场“纳米赛车大奖赛”。赛道由黄金制成，全长100纳米，参赛者投入自己制造的车型分子进行比赛。全程使用扫描隧道显微镜等特殊设备产生的电流“推动”分子前进，最后美国-奥地利联队以每小时35纳米取得了冠军。

也有学者脑洞大开，想从能运动的细胞那里“借力”，而最有动力的细胞莫过于精子了。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，之后将牛的精子一头置入管子，尾巴暴露在外，就制成了“精子机器人”。通过改变温度等条件，可以控制精子的移动路线和速度，堪称微观世界里的“牛车”。

纳米机器人在医疗领域的应用是纳米生物学中最重要的方向，但实际中的重重困难让这个领域步履蹒跚。

由于需要进入患者体内，因此需要保证机器人表面对血浆等体液没有黏附性，还需要为惰性材料，不与人体发生生物化学反应，避免引起人体内多种系统性反应如免疫反应、促凝反应、超敏反应、发热反应等。另外，纳米机器人尺寸较小，可能会引起体内巨噬细胞的警觉，还需要能躲避或者不触发吞噬。

2019年，加州理工学院的科学家把纳米机器人放在一个胶囊里并注射进人体内（这层胶囊可以防止纳米机器人被胃酸等体液破坏）。随后，他们利用一种名为“光声断层扫描技术”在人体外对这些纳米机器人进行了实时定位。当机器人胶囊抵达病患区域时，用外源近红外光穿过人体组织，使胶囊破裂从而释放纳米机器人，成功地在病患区域停留并释放了药物。

毫无疑问，纳米机器人将会带来一场医学革命。如果纳米机器人在未来能够修复并维护人类的免疫系统，进行监测工作，那么我们很可能再也不会得病；如果它能够24小时不间断地在体内进行修复、替换和调整；我们很可能极为长寿。甚至有未来学家认为，纳米机器人将来会定居在人体内，成为人的一部分。这样的未来，你想要吗？