纳米机器人技术是科幻小说吗？直到大约十五年前，它还是科幻小说。自 2004 年首次研究出头发丝般粗细并能移动的纳米设备以来，科学界开始考虑这一研究领域的可能和具体应用，该领域在无限小（超越微型，超越 "微"）的平面上运行，横跨机器人工程、纳米技术、医学、材料科学和纳米制造工艺。

什么是纳米机器人技术？

纳米机器人学是一门利用纳米技术特有的技术和方法，在纳米尺度上制造机器人的学科。

我们正处于 "纳米 "的领域，即无限小的领域。纳米级机器人 "是纳米机器人，也称为 "纳米机器人"，是一种尺寸在 0.1 到 10 微米之间的装置。纳米（nm）相当于一米的十亿分之一，微米（µm）相当于一毫米的千分之一。

2004 年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的美国研究员卡洛斯-蒙泰马格诺和他的团队开发出了第一个以葡萄糖为燃料的纳米机器人，其厚度还不及人类的头发丝。

该装置的推进力是通过使用老鼠心肌的微小碎片实现的，能够以每秒 40 微米的速度移动。

由于它的尺寸和所使用的技术，纳米机器人在未来可能的应用领域中将包括所有需要原子级精度的任务，这一点是显而易见的。

其中包括--仅举一个最有力的例子--制造小到足以穿透活细胞（动物或人类）的机器，以释放分子、攻击肿瘤块、更换或修复细胞器或执行所有通常需要侵入性显微外科手术的操作。

乍一看，这一切似乎都是科幻小说。然而，在过去的十年中，随着纳米制造技术的不断完善，制造出细胞大小的微小生物兼容机器人，并能将其注入人体--在人体内移动、运作，就像现实中的全尺寸机器人一样--的目标正变得越来越近。

纳米机器人（或纳米机器人）的外观和工作原理

纳米机器人 "和 "纳米机器人 "指的是能够将能量转化为运动的自走式纳米级装置。纳米机器人与纳米粒子（由直径约为 1 至 100 纳米的原子或分子聚合体形成）不能混淆：虽然它们可以注入人体用于诊断和治疗，但与纳米机器人不同，它们不是机器，因此不能自主移动、行走或游泳。

在蒙特马格诺教授的团队进行了首次实验后，2005 年，同一批加利福尼亚科学家设计出了一种拥有两条小腿的纳米机器人，它的机械关节由大鼠心肌细胞驱动，无需外部电源，能够移动和弯曲。从那时起，无数的研究接踵而至，迄今为止，已有许多纳米机器人的实例。

最丰富的研究是利用磁场引导纳米机器人的研究，其中特别包括一种利用趋磁细菌的研究，这类细菌会沿着地球磁场线排列。

这些细菌（其中在实验室中应用最广泛的是海洋磁球菌）附着在纳米机器人的头部，能够通过外部磁场精确地引导该装置。

接着，利用磁性材料制作了螺旋形状的纳米机器人；在构成装置的聚合物上放置磁性材料的试样；以及在聚合物结构本身内部放置磁性材料的纳米机器人。

苏黎世联邦理工学院和以色列理工学院的研究人员开发出了一种磁控弹性聚吡咯纳米线，长约 15 微米（百万分之一米），厚约 200 纳米，能以每秒 15 微米的速度在流体生物环境中游动，可用于给药和磁控攻击癌细胞。

另一方面，费城的德雷克塞尔大学开发了一种方法，利用电场帮助纳米机器人探测路径上的障碍物，并在感兴趣的区域灵活移动，其应用可能包括未来的体外给药和干细胞操作。

纳米机器人技术的另一个趋势是由纳米粒子和生物分子混合制成的纳米级 "火箭 "形纳米机器人，可在任何环境中高速遥控移动。

在生物材料方面，美国加州理工学院的研究人员创造出了由 DNA 链制成的纳米橡胶，能够提升和移动微颗粒；荷兰屯特大学和德国开罗大学联合研究，创造出了受精子启发的纳米机器人--始终由振荡的弱磁场控制--用于微操作应用和靶向治疗。这样的例子不胜枚举。

让我们记住，所有这些都是在实验室中研究和测试（而不是在人体上）的纳米设备。具体应用于人体的道路还很漫长。不过，在科学进步的领域中，这是大有希望的。

用于医学的纳米机器人技术

正如预期的那样，医学是纳米机器人研究的主要应用领域。通过使用纳米设备和纳米技术，医学本身也变得 "纳米 "了。

例如，在美国，纳米医学早在 20 世纪 90 年代初就已开始讨论，特别是在精确给药和某些诊断过程中使用纳米粒子。

但随着纳米机器人技术的出现，这方面的研究才取得了进一步的进展。尽管面临的挑战很多。首先是如何管理纳米机器人在以液体为主的微环境（如人体）中的有序和可控运动。

针对这一问题，过去曾设计出能够行走、跳跃甚至游泳的纳米机器人，这要归功于外部操控的磁铁、电场或光刺激。

关于这一特定主题的最新研究包括一种 5 微米长的纳米机器人，它有两个磁性镍臂，能在磁场作用下移动，能在血液等粘性液体中游动，以便在人体需要的确切位置运输和释放药物。

该装置由美国加州大学圣迭戈分校纳米工程系、中国哈尔滨工业大学和以色列海法大学的科学家们模仿人类在水中的运动方式研制而成。

除了在体内运输和释放药物外，纳米机器人技术在医学中的应用还包括神经刺激。蒙特马格诺教授的团队在 2004 年构思的纳米装置就是这方面的一个早期和初步的例子，它是用动物肌肉纤维制成的。

这种经过修改和优化的系统可以帮助因横膈膜肌肉神经（膈神经）受伤而导致呼吸困难的病人：插入人体后，通过弯曲压电材料或硅线，弯曲产生的放电可以刺激膈神经。

2020 年末，纽约州康奈尔大学的研究人员实现了另一个重要的里程碑，首批纳米机器人集成了半导体元件，能够通过标准电子信号行走。

目前正在进行测试的纳米机器人与以前的纳米机器人不同，以前的纳米机器人能够通过外部操纵的磁铁移动，而这些纳米设备实际上是具有功能腿的微型机器人。

设计它们的研究小组已经在考虑如何通过使用更复杂的电子设备和机载计算来增强它们的功能。通过改进，未来可能会出现成群结队的微型机器人，它们可以重组组织、缝合血管，并被大规模送往动脉和大脑区域进行探测。

一组纳米机器人攻击肿瘤块的插图。

治疗癌症的纳米机器人

治疗肿瘤疾病是纳米医学最大的治疗领域。与传统的侵入性和侵袭性化疗不同，正是由于注入体内的纳米粒子体积小，因此可以轻松到达癌细胞，并直接在肿瘤附近释放药物，从而从内部攻击肿瘤，保护周围的健康细胞和组织。

而纳米机器人可以成为一种更精确、更有效的攻克癌症的工具。如何做到？研究人员正在多个方面开展工作。

就用于给药操作（即作为在癌细胞内释放物质的载体）的纳米机器人而言，所测试的模型性质不同，在体内移动的方式也不同。但就结构和运行机制而言，它们的设计方式是相同的：一个基本模型由一只手臂和一只 "手 "组成，"手 "上可以放置活性成分--药物。

从这种结构出发，根据具体需要，可以创造出更复杂的结构，例如，在需要同时释放多种分子或更复杂、更有针对性的作用时，可以增加更多的臂。

如果可以通过修改中央结构进行干预，那么尾部则是纳米机器人的固定部分，也是最具战略意义的部分，因为它能够识别纳米装置何时到达肿瘤内部。

尾部实质上是一种适配体，即具有与分子或蛋白质结合特性的核酸。为此，研究工作成功地设计出了特异性适配体，这种适配体只能与癌细胞所在区域或邻近区域的实体结合，因此化疗药物只能在这一精确空间释放，而健康组织不会受到影响。

在某些情况下，可以考虑使用能够捕捉氧气浓度的探针来代替适配体。这意味着什么？肿瘤由于细胞过度生长，会消耗大量氧气。在氧气浓度较低的地方，纳米机器人会检测到它位于肿瘤附近，从而释放活性成分。

最近，通过组装 DNA "薄片"，人们还成功地制造出了自主性越来越强的纳米机器人。这种技术被称为 "折纸科学"（Origami Science），因为 DNA 片的组装让人联想到折纸。

2009 年，波士顿 Dana-Farber 癌症研究所的科学家们率先将纳米技术与古老的折纸艺术结合起来，通过折叠 DNA 的二维薄片来获得多层次的三维结构，为制造能够作为 "货物 "在细胞内运输药物的纳米装置打开了一扇窗。

如今，在这些 "货物纳米机器人 "的表面，除了适配体之外，研究人员认为还可以放置一种特殊的酶，即凝血酶，负责血液凝固。

因此，这些纳米机器人被放置在血流中，并通过适配体识别它们何时进入癌块。进入癌块后，它们会释放凝血酶，凝血酶会凝结成血块，成功阻断癌块的血流，从而导致癌症 "死亡"，即癌细胞坏死。

用于药物输送操作的纳米机器人的实验模型由手臂和“手”组成，用于定位活性成分。然而，如果需要同时释放更多分子或更复杂和有针对性的作用，则可以在此结构中添加更多臂。

纳米机器人工程

纳米机器人工程是一个新兴的跨学科领域，它汇集了不同的学科，包括纳米级建模和纳米制造工艺。

特别是近年来，经典机器人学的进步将感知和操纵物质的能力扩展到了从宏观到微观，直至单个原子的各种尺度。在这一特定领域，技术正朝着更大程度地逐个原子控制物质结构的方向发展。

微型化--无论在何种情况下应用--都需要先进的技术，以保证物质在空间中的最佳嵌入。

例如，在医疗领域应用纳米机器人技术的具体案例中，仅将纳米机器人置于人体内部是不够的。最重要的是，必须能够利用特定的生理和解剖条件，使它们移动、引导它们。要做到这一点，还需要利用生理学、物理学和纳米技术等学科。

在我国，还没有真正意义上的纳米机器人工程学课程。不过，仿生工程硕士学位课程是这一学科的一个参照点，其师资队伍位于圣安娜超级学院和比萨大学的卢卡阿尔蒂研究学院（Scuola IMT Alti Studi Lucca）。

这是一个为期两年的教学计划，在比萨大学工程学院和圣安娜学院生物机器人研究所的实验室中开设理论和实践课程。

除了学习生物机器人和神经工程科学与技术的基础知识外，学生还将通过与医学、生物学和神经科学等领域的科学家以及康复和外科领域的专家对话，接受多学科研究方面的培训。

学习该课程的学生将在各种教育体验中接受挑战，包括与纳米机器人的设计、开发和测试有关的体验。

该课程还提供两种不同的课程：神经工程课程侧重于神经仪器、神经接口、神经信号采集和处理、神经网络、生物启发传感系统以及模仿社会行为的机器人设计；而生物机器人课程侧重于开发仿人和仿动物机器人模型、纳米机器人、可穿戴机器人、可植入仿生器官、人工上下肢、用于诊断、手术和康复的机器人和平台。

将纳米机器人放入人体内是不够的。最重要的是，有必要能够利用特定的生理和解剖条件来引导他们的运动。

纳米机器人技术的未来（和悬而未决的问题）

尽管纳米机器人技术充满活力，但它还是一个年轻的研究领域，目前仍处于研究和实验阶段。它尚未走出实验室。尽管它已经确定了自己的主要兴趣领域，但正如我们已经充分说明的那样，目前其中最突出的是医学。

未来，纳米机器人将应用于临床实践。有鉴于此，科学家们已经确定了下一个研究目标，即制造出更小更灵活的纳米机器人--结构尺寸为 20×100 纳米（0.00002×0.0001 毫米）--以便在无需活检的情况下对器官内外进行更精确的探索和细胞检查。其目的是使纳米机器人成为通过早期诊断预防某些疾病的工具。

除了这些目标之外，科学界还将两个重要问题提上了议事日程。第一个问题涉及纳米机器人在血液中的生物降解能力（目前的模型无法自主降解，因此在向体内释放药物后，必须将其移除）：另一个未决问题涉及用于制造纳米机器人的材料的安全程度，更具体地说，涉及其可能的毒性。

另一方面，第二个问题与纳米装置在人体的许多微小间隙、组织和各种液体中的运动有关。迄今为止设计的纳米机器人的运动有几个关键问题。

欧洲的 CELLOIDS 项目于 2021 年 2 月 1 日启动，截止日期为 2026 年 1 月底。该项目对这一悬而未决的问题进行了干预，提出了制造可在人体各部位自主移动的纳米机器人的建议。

我们了解到，在这个项目中，研究人员将借鉴免疫系统细胞的行为，其中一些细胞能够不断改变自己的身体形状以适应环境，从而能够穿透生物组织的所有间隙。

关于迄今为止进行的实验室测试，去年 3 月，即两个月前，《科学机器人》杂志报道了首次观察到纳米机器人群在活鼠体内移动的消息。

这是加泰罗尼亚生物工程研究所与巴塞罗那自治大学合作进行的一项研究，被认为是朝着将纳米机器人应用于人体临床实践迈出的决定性一步。

所观察到的纳米机器人可以在小鼠膀胱内自主移动，以非侵入性和无痛的方式利用小鼠尿液中的尿素作为燃料进行探索。

利用显微镜和 PET（正电子发射断层扫描）技术进行的观察显示，纳米机器人分布均匀，集体运动协调高效。研究小组强调说，这是一个好消息，预示着这些纳米设备在人类诊断和治疗方面的有效性。

在未来的医学中，纳米机器人在血管内发挥作用，检测并消除阻碍正常循环的血栓。

利用 DNA 模块制造纳米机器人

此外，在医疗领域（首选应用领域），2018 年启动、2022 年圆满结束、目前处于实验阶段的欧洲研究项目 DNA-Robotics 也在朝着能够在人体所有类型的间隙、组织和液体中移动的更加灵活的纳米机器人的方向发展。

该项目的核心是 DNA 生物大分子的自组装特性，以便产生纳米级机器人系统，从而在治疗肿瘤疾病的一系列应用中获益，如上所述，肿瘤是纳米医学的最大治疗领域。

使用 DNA 片段的纳米机器人技术是目前流行的一种研究方法，因为它也着眼于纳米设备在体内的生物可降解性目标，同时还能实现纳米机器人的许多基本功能，包括目标检测和灵活移动。

德国慕尼黑工业大学（TUM）是该欧洲项目的合作伙伴，其研究人员在最初阶段使用类似小方块的DNA模块来开发纳米机器人的各个部分，每个部分都具有不同的特性和功能。

在下一阶段，研究小组将小方块转化为计算机模型，以评估纳米机器人各个部分组装成一个完整的纳米机器人系统的效果。

最终，研究转向一种不再基于小立方体DNA模块的计算机模型，而是一种涉及使用所谓 "囊泡 "的技术。"囊泡 "是细胞膜内的一种袋状有机结构，可用作 "支架"，围绕它可以构建一系列纳米机器人模块，包括一种能够将信息从纳米结构的一点传输到另一点的管状结构。