納米機器人是一個學科高度交叉的研究領域，涉及物理、化學、材料、生物等多個學科的基礎科學研究。
撰文 | 王威（哈爾濱工業大學(深圳)教授）
說起納米機器（nanomachines），人們恐怕不免聯想到科幻小說或者科幻電影。讀者會盡情暢思，聯想到科幻電影中用於修復星際戰艦船體的納米機器人，在沒有硝煙和聲音的戰場上，把破損的結構拆除、分解、修復；或者從現實需求出發，腦海中浮現出在血管中穿梭的小小機器人，它們可以有幾個尖利的爪子，巧妙躲避著紅細胞、白細胞，或者噴出藥物，或者切割鑽削，為人類的健康而奔波在血液之中。
科學幻想中的納米機器人在血液中拖曳紅細胞 | 來源：http://www.sohu.com/a/246917314_740022
一個大眾文學中對此的經典想像，是1966年Harry Kleiner的電影《奇妙的航程》（Fantastic Voyage，艾薩克阿西莫夫對該劇本改編為同名小說）。在美蘇爭霸的冷戰大背景下，一隊美國科學家登上了縮小到了微米尺度的潛水艇中，進入了一個受傷的外交官的血液中。雖然每次心跳所引起的血液波動都讓潛艇隨時處於傾覆的邊緣，身體內的抗體也把潛艇當做了感染源而瘋狂攻擊，英勇的主角們仍然能夠操縱潛艇在血液中化險為夷，並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，可能會讓稚氣的孩子們興奮非常，而年長的人們則難免會半信半疑，甚至嗤之以鼻。1納米是1米的十億分之一，這些比頭髮絲（大約50微米，即5萬納米）還細小得多的納米機器人似乎威力無窮但又遙（微）不可及，儘管近幾十年來常常被人提起，卻又好像從未真正出現過。
我們究竟距離這一天還有多遠？沿路有哪些艱險曲折？為之付出巨大的人力物力是值得的嗎？
納米機器的三大險阻
有些人認為，納米機器終究只是科學家和科幻圈的一場小眾狂歡。這樣的質疑和悲觀似乎十分有道理。從上世紀50、60年代以來，在世界科技發展進步的大多數時間裡，納米機器都徘徊於憧憬和夢想之中。納米尺度的物體運動要客服太多的艱難險阻。比如，物體越小，受到空氣、水分子的無規撞擊的影響就越大，其運動會顯得十分無規則。這種被稱為「布朗運動」的效應在宏觀上幾乎無法察覺，但在微觀上會非常顯著。布朗運動和顆粒的化學組成與密度無關，與溫度直接相關，因而無法根除。當物體越來越小，就需要克服越來越明顯的布朗運動。因此，在納米尺度，幾乎所有的定向運動都會讓位於與之相比巨大得多的環境擾動。這也使精確操控微納米機器變得極其困難。（1966年的電影中，主人公們操縱器微納米潛水艇似乎遊刃有餘，布朗運動在這一電影中被極大的忽視了）
此外，目前（2019年）最精密的機械加工精度大約是5納米，這也是英特爾等晶片廠商通過數十年的不斷進步所取得的驚人成績。然而這樣的精度或許仍不足以製造我們所需的精密部件，來組裝成滿足需要的納米機器人，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髮絲還細小一萬倍的零件一個個組裝起來，更是技術上令人咋舌、甚至無法逾越的高峰。
人頭髮絲上利用雙光子光刻方法3D列印的跳舞的女人| 來源：https://www.fabbaloo.com/blog/2014/11/13/the-teeniest-3d-printed-human-ever
第三，即便我們想出了高招克服布朗運動的幹擾，也開發出了非常精密的技術以生產、組裝納米尺度的機器，我們仍然需要考慮這樣的機器如何運作。在宏觀尺度，慣性的作用很強大，因而宏觀的動物、機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動起來（想像一下人遊泳的姿勢）。但這樣的「往復式」（reciprocal）運動在微觀世界則舉步維艱。對這一問題，1952年諾貝爾物理學獎得主Purcell在1976年的一場演講中首次提出了所謂「扇貝定律」（scallop theorem），即像扇貝一樣循環往復運動身體部件，是無法讓微生物產生淨位移的，只會讓它在原地來回運動。因此，同樣受制於扇貝定律的納米機器人也無法利用螺旋槳、背鰭、尾翼等部件的扇動來運動，而需要新的驅動方法。
扇貝定理示意圖。如同扇貝一樣往復式地打開和關閉無法在微觀世界運動 | 來源：Bechinger, C.; Di Leonardo, R.; Lwen, H.; Reichhardt, C.; Volpe, G.; Volpe, G. Active Particles in Complex and Crowded Environments. Rev. Mod. Phys. 2016, 88 (4), 045006–045050.
為什麼微納機器人不能像扇貝一樣往復運動？非常非常簡化的解釋如下：流體的流動通常由一組稱為納維-斯託克斯方程（Navier-Stokes equation）的非線性偏微分方程描述。對於微納尺度運動的物體來說，慣性對它們的影響很小，而液體對它們來說非常粘稠（所謂低「雷諾數」流體環境）。在此情況下，斯託克斯方程的簡化表達式為：
-▽p+ μ▽^2u=0，▽u=0
這是一個線性方程。這意味著流體的流速與所施加的力成比例，即 ▽p= μ▽^2u。由於在該方程中不存在與時間相關的項，且方程是線性的，這意味著對於完全往復的運動，物體無法獲得淨的向前運動（即扇貝定理）。
怎樣實現納米機器？
環境十分惡劣，又無法像宏觀的機器一樣往復運動，實現納米機器曾經舉步維艱。但科技發展日新月異，今天的我們已經擁有遠勝於五十年前的知識和技術水平。納米機器的合成、製備與開發已經逐漸變得可能。此外，人們也認識到，自然界其實早已充滿了各式納米機器。例如，細胞內的輸運蛋白能夠克服布朗運動，在微管束組成的軌道上來來回回運動，像貨運卡車一樣在細胞內輸運巨大的貨物；ATP合成酶精巧地旋轉一圈，藉由細胞內外的氫離子梯度，為細胞生產出所需的食物ATP；大腸桿菌、精子細胞、草履蟲等八仙過海各顯神通，揮動鞭毛、纖毛，在惡劣的環境中遊弋並找到食物。這些精巧卓絕的生物納米機器讓人嘆為觀止，也為我們設計納米機器提供了最寶貴的經驗。
遊動的大腸桿菌的卡通示意圖 | 來源：https://tech.sina.com.cn/d/f/2018-09-12/doc-ihiixyeu6409974.shtml
我們在這裡介紹一種很常見的讓微納米機器在流體中運動起來的方法。這種方法首先需要製備一種表面材料分布不均勻的顆粒，也稱為Janus顆粒。這個名字來源於古羅馬的神袛雙面神Janus，它有兩張面孔，一張回望過去，一張眺望未來。因此這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），能夠在溶液中發生特定的化學反應（例如鉑催化的過氧化氫分解）。因為顆粒兩面的材料不同，化學反應產生了化學物質濃度梯度，在此梯度下顆粒能夠因為各種不同的機制（泛泛來說是某種「泳」機制，即phoresis）運動起來。
羅馬雙面神Janus | 來源：http://www.sohu.com/a/196546395_256799
這種靠化學物質的梯度而運動的原理，也適用於宏觀物體。例如，漂浮在睡眠的肥皂船上的肥皂溶解在水中，因為船的形狀不對稱，從而形成了表面張力的梯度，拉動了肥皂船的運動。《三體》中雲天明就是藉此暗喻了曲率驅動這一星際航行的策略。
曲率驅動的原理想像圖。通過操控飛船前後端空間曲率，實現飛船超光速的運動。| 來源：https://www.popsci.com/technology/article/2013-03/faster-light-drive/
這樣的微納米機器好像車頭吊著一個胡蘿蔔的驢車。前面有胡蘿蔔後面沒有，這樣就得到了一個「胡蘿蔔的梯度」。驢感受到這一梯度，被其吸引，自發向前運動。這個梯度不會因為驢車的運動就消失，而是無時無刻保持在驢車周圍的，因而驢車可以持續不斷的向前運動。這並不是永動機，因為驢子運動需要不斷消耗能量，轉化為車的動能。事實上，很多化學驅動的微納米機器中，其表面的化學反應會持續不斷地消耗化學物質，因而「胡蘿蔔」會越來越小，對驢子的吸引力越來越弱，最終機器停止運行。製造一種能夠源源不斷從環境中高效汲取能量的微納米機器一直是一個非常重要的課題。
讀者可能能夠意識到，這種利用梯度場（「胡蘿蔔」）驅動微納機器的方法，和我們通常熟悉的機器的運行方式差別極大。通常的機器，核心運動構件是馬達，其運動是靠電磁場下轉子的旋轉得到的。如前所述，這種往復式運動並不能驅動微納米機器。而目前開發出來的用於驅動微納米機器的梯度場方法，往往效率低下，控制也很差，也並不會有人用這樣的方法驅動汽車。但這是我們目前針對微納米機器人的特殊環境和限制所不得不做出的犧牲。
https://steempeak.com/steemit/@denmarkguy/steemit-musings-if-you-take-away-the-carrot-the-donkey-stops-moving
納米機器前景誘人
在工作原理、製造、控制等幾個方面，納米機器都面臨著巨大的挑戰，但也孕育著巨大的回報。納米機器人在生物、醫藥、環境、軍事、航天等多個國計民生重大領域有巨大的潛在用途，或許能夠讓世界產生我們做夢都無法想像的變革，因而吸引著一批批科技工作者前赴後繼投身這個領域。
在來自世界各地（包括中國）的科研人員的不懈努力下，如今在國際範圍內掀起了微納米機器研究的新熱潮。自21世紀初以來，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，並通過化學能、電能、磁能、光能、聲能、熱能等各種供能方式，讓這些人工製造的分子與顆粒在微納米尺度運動起來。研究人員發布了數以千計的論文、專利、學術報告，來討論這些材料的合成、驅動機制、相互作用機理，並結合理論和數值模擬，對實驗中觀察到的現象進行縝密而全面的分析。2016年的諾貝爾化學獎，就頒給了三位超分子領域的專家，以表彰他們在分子機器合成領域的卓越貢獻。
2016年化學諾獎三位得主 | 來源：https://www.zmescience.com/science/chemistry/nobel-2016-chemistry-62478/
目前，一大批科學工作者和工程師們通過精心設計，已成功將在微米尺度遊動的微納米機器人應用於生物探測、智能載藥、可控藥物釋放、血栓清除、殺死腫瘤細胞、環境汙染物監測、環境治理、微納米組裝等多個領域。
石墨烯包覆的微米管在過氧化氫中噴射氣泡運動，清除水中的汙染物 | 來源：https://www.sciencealert.com/graphene-based-nanobots-could-clean-up-the-metal-from-our-oceans
在超聲波驅動下，雙金屬微米棒在宮頸癌細胞內翻騰攪動 | 來源：https://phys.org/news/2014-02-nanomotors-cells-video.html
特別需要指出的是，雖然納米機器人有許多潛在的應用，社會大眾也對這方面的研究十分關注，但納米機器人的研究不僅僅是應用研究，也不僅僅涉及工程領域。事實上，這是一個學科高度交叉的研究領域，涉及物理、化學、材料、生物等多個學科的基礎科學研究。
例如，微納米機器的製備往往不能依靠機械加工手段（即便是精密的微納加工技術也力有不逮），而是要通過物理、化學的方法合成、製備出具有特殊結構和功能的分子和微納米材料。而這些材料如何在各種實驗環境和參數條件下，按照人們的需要作出前進、後退、旋轉等運動，離不開對於其電學、磁學、化學性質等方面的深入了解，以及對其周圍環境中化學場、流體場、電磁場的認識。
此外，「一個好漢三個幫」，在種類繁多的應用中，納米機器人想必也需要和眾多同伴們相互協作。因此，它們之間的相互作用、自組裝、群體行為、通訊機制等，對於其應用也是需要仔細研究的問題。除此之外，還有眾多大大小小的科學問題等著科學家們去探索，並基於這些發現，來開發出新型的納米機器人運動、控制和應用技術。
哈佛大學研製的毫米尺寸機器人能夠自組裝為特定形狀 | 來源：https://www.cbc.ca/news/technology/kilobots-robot-swarm-coordinates-to-form-shapes-1.2737414
而在另一個完全不同的領域，軟凝聚態物理學家們將微納米機器人用作一種模型（他們稱之為「活性膠體」），用於模擬、理解生命中的許多湧現現象（emergence）和複雜體系行為 (complexity) 。這一研究領域被稱作「活性物質」，近年來在國內外也引起了極大的關注。或許有朝一日，微納米機器人能夠不僅治療癌症，還能夠在物理學家的努力下，幫助我們理解腫瘤的形成和轉移機制，以及鳥群、魚群等自然界複雜的群體行為。
海洋中的許多魚類能夠自發組織成大型的魚群以嚇阻捕食者 | 來源：http://www.divephotoguide.com/underwater-photography-techniques/article/photographing-schooling-fish/
納米機器是不是威力無窮？能不能實現我們寄予厚望的各種奇妙的功能？我們現在還不得而知。但幾乎每一天都會看到相關研究取得了有趣和有意義的進展，相關的新聞報導也屢見不鮮。最後，附上一段網絡媒體[1]2013年對於微納米機器人的描述。或許實現這些夢想的那個「將來某一天」已經並不遙遠。
「將來某一天，一名腦血栓病人躺在醫院手術室中等待接受危險的腦血栓移除手術，然而，為他做手術的並不是穿著白大褂的醫生，而是兩百萬個肉眼看不見的「納米機器人」！它們被裝在一個透明的玻璃瓶中，當醫生將裝有納米機器人的液體注入患者血管後，這些「納米機器醫生」開始遊向患者腦部，然後分工合作為患者做手術。
一些納米機器人會從事導航任務；一些納米機器人會從事信號傳遞任務，以便讓手術室中的外科醫生能從電子屏幕上監控手術情況；一些納米機器人負責用「納米鑷子」夾住血栓，讓另一些納米機器人用「納米手術刀」將血栓切成無數小塊然後運走；最後一批納米機器人則給患者大腦中的受傷組織直接上藥，好讓這些手術傷口能儘快痊癒。整個手術耗時不到半小時，當手術成功結束後，所有納米機器人都會在患者的血管中進入「休眠」狀態，等待從他的身體中排洩出去。」
注釋
[1] 「納米機器醫生」即將進入人體做手術」 http://news.hexun.com/2013-11-18/159763111.html
本文是作者所譯《納米機器——基礎與應用》（科學出版社，2019年）一書前言的改編和擴寫。
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