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想要纳米机器无所不能?先看看这里有多少科学

发布时间:2020-03-13 21:07   来源:    作者:

  纳米机器人是一个学科高度交叉的研究领域,涉及物理、化学、材料、生物等多个学科的基础科学研究。

  撰文 | 王威(哈尔滨工业大学(深圳)教授)

  说起纳米机器(nanomachines),人们恐怕不免联想到科幻小说或者科幻电影。读者会尽情畅思,联想到科幻电影中用于修复星际战舰船体的纳米机器人,在没有硝烟和声音的战场上,把破损的结构拆除、分解、修复;或者从现实需求出发,脑海中浮现出在血管中穿梭的小小机器人,它们可以有几个尖利的爪子,巧妙躲避着红细胞、白细胞,或者喷出药物,或者切割钻削,为人类的健康而奔波在血液之中。

  

  科学幻想中的纳米机器人在血液中拖曳红细胞 | 来源:http://www.sohu.com/a/246917314_740022

  一个大众文学中对此的经典想象,是1966年Harry Kleiner的电影《奇妙的航程》(Fantastic Voyage,艾萨克⋅阿西莫夫对该剧本改编为同名小说)。在美苏争霸的冷战大背景下,一队美国科学家登上了缩小到了微米尺度的潜水艇中,进入了一个受伤的外交官的血液中。虽然每次心跳所引起的血液波动都让潜艇随时处于倾覆的边缘,身体内的抗体也把潜艇当做了感染源而疯狂攻击,英勇的主角们仍然能够操纵潜艇在血液中化险为夷,并摧毁危及生命的血栓,最终成功拯救了外交官的性命。

  以上这些科幻电影中的场景,可能会让稚气的孩子们兴奋非常,而年长的人们则难免会半信半疑,甚至嗤之以鼻。1纳米是1米的十亿分之一,这些比头发丝(大约50微米,即5万纳米)还细小得多的纳米机器人似乎威力无穷但又遥(微)不可及,尽管近几十年来常常被人提起,却又好像从未真正出现过。

  我们究竟距离这一天还有多远?沿路有哪些艰险曲折?为之付出巨大的人力物力是值得的吗?

  纳米机器的三大险阻

  有些人认为,纳米机器终究只是科学家和科幻圈的一场小众狂欢。这样的质疑和悲观似乎十分有道理。从上世纪50、60年代以来,在世界科技发展进步的大多数时间里,纳米机器都徘徊于憧憬和梦想之中。纳米尺度的物体运动要客服太多的艰难险阻。比如,物体越小,受到空气、水分子的无规撞击的影响就越大,其运动会显得十分无规则。这种被称为“布朗运动”的效应在宏观上几乎无法察觉,但在微观上会非常显著。布朗运动和颗粒的化学组成与密度无关,与温度直接相关,因而无法根除。当物体越来越小,就需要克服越来越明显的布朗运动。因此,在纳米尺度,几乎所有的定向运动都会让位于与之相比巨大得多的环境扰动。这也使精确操控微纳米机器变得极其困难。(1966年的电影中,主人公们操纵器微纳米潜水艇似乎游刃有余,布朗运动在这一电影中被极大的忽视了)

  

  此外,目前(2019年)最精密的机械加工精度大约是5纳米,这也是英特尔等芯片厂商通过数十年的不断进步所取得的惊人成绩。然而这样的精度或许仍不足以制造我们所需的精密部件,来组装成满足需要的纳米机器人,让其有手有脚有脑有天线等。而即便我们的加工精度达到了要求,如何在纳米尺度上用极其微小的镊子将这些比头发丝还细小一万倍的零件一个个组装起来,更是技术上令人咋舌、甚至无法逾越的高峰。

  

  人头发丝上利用双光子光刻方法3D打印的跳舞的女人| 来源:https://www.fabbaloo.com/blog/2014/11/13/the-teeniest-3d-printed-human-ever

  第三,即便我们想出了高招克服布朗运动的干扰,也开发出了非常精密的技术以生产、组装纳米尺度的机器,我们仍然需要考虑这样的机器如何运作。在宏观尺度,惯性的作用很强大,因而宏观的动物、机器可以通过简单的手臂伸缩或者身体摇摆就能够顺畅地运动起来(想象一下人游泳的姿势)。但这样的“往复式”(reciprocal)运动在微观世界则举步维艰。对这一问题,1952年诺贝尔物理学奖得主Purcell在1976年的一场演讲中首次提出了所谓“扇贝定律”(scallop theorem),即像扇贝一样循环往复运动身体部件,是无法让微生物产生净位移的,只会让它在原地来回运动。因此,同样受制于扇贝定律的纳米机器人也无法利用螺旋桨、背鳍、尾翼等部件的扇动来运动,而需要新的驱动方法。

  

  扇贝定理示意图。如同扇贝一样往复式地打开和关闭无法在微观世界运动 | 来源:Bechinger, C.; Di Leonardo, R.; Löwen, H.; Reichhardt, C.; Volpe, G.; Volpe, G. Active Particles in Complex and Crowded Environments. Rev. Mod. Phys. 2016, 88 (4), 045006–045050.

  为什么微纳机器人不能像扇贝一样往复运动?非常非常简化的解释如下:流体的流动通常由一组称为纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equation)的非线性偏微分方程描述。对于微纳尺度运动的物体来说,惯性对它们的影响很小,而液体对它们来说非常粘稠(所谓低“雷诺数”流体环境)。在此情况下,斯托克斯方程的简化表达式为:

  -▽p+ μ▽2u=0,▽u=0

  这是一个线性方程。这意味着流体的流速与所施加的力成比例,即 ▽p= μ▽2u。由于在该方程中不存在与时间相关的项,且方程是线性的,这意味着对于完全往复的运动,物体无法获得净的向前运动(即扇贝定理)。

  怎样实现纳米机器?

  环境十分恶劣,又无法像宏观的机器一样往复运动,实现纳米机器曾经举步维艰。但科技发展日新月异,今天的我们已经拥有远胜于五十年前的知识和技术水平。纳米机器的合成、制备与开发已经逐渐变得可能。此外,人们也认识到,自然界其实早已充满了各式纳米机器。例如,细胞内的输运蛋白能够克服布朗运动,在微管束组成的轨道上来来回回运动,像货运卡车一样在细胞内输运巨大的货物;ATP合成酶精巧地旋转一圈,借由细胞内外的氢离子梯度,为细胞生产出所需的食物ATP;大肠杆菌、精子细胞、草履虫等八仙过海各显神通,挥动鞭毛、纤毛,在恶劣的环境中游弋并找到食物。这些精巧卓绝的生物纳米机器让人叹为观止,也为我们设计纳米机器提供了最宝贵的经验。

  

  游动的大肠杆菌的卡通示意图 | 来源:https://tech.sina.com.cn/d/f/2018-09-12/doc-ihiixyeu6409974.shtml

  我们在这里介绍一种很常见的让微纳米机器在流体中运动起来的方法。这种方法首先需要制备一种表面材料分布不均匀的颗粒,也称为Janus颗粒。这个名字来源于古罗马的神袛双面神Janus,它有两张面孔,一张回望过去,一张眺望未来。因此这种颗粒也被称为双面神颗粒(这也是英文单词一月January的词源)。最简单的双面神颗粒是一个微纳米球,一半覆盖了某种材料(例如金属铂),能够在溶液中发生特定的化学反应(例如铂催化的过氧化氢分解)。因为颗粒两面的材料不同,化学反应产生了化学物质浓度梯度,在此梯度下颗粒能够因为各种不同的机制(泛泛来说是某种“泳”机制,即phoresis)运动起来。

  

  罗马双面神Janus | 来源:http://www.sohu.com/a/196546395_256799

  这种靠化学物质的梯度而运动的原理,也适用于宏观物体。例如,漂浮在睡眠的肥皂船上的肥皂溶解在水中,因为船的形状不对称,从而形成了表面张力的梯度,拉动了肥皂船的运动。《三体》中云天明就是借此暗喻了曲率驱动这一星际航行的策略。

  

  曲率驱动的原理想象图。通过操控飞船前后端空间曲率,实现飞船超光速的运动。| 来源:https://www.popsci.com/technology/article/2013-03/faster-light-drive/

  这样的微纳米机器好像车头吊着一个胡萝卜的驴车。前面有胡萝卜后面没有,这样就得到了一个“胡萝卜的梯度”。驴感受到这一梯度,被其吸引,自发向前运动。这个梯度不会因为驴车的运动就消失,而是无时无刻保持在驴车周围的,因而驴车可以持续不断的向前运动。这并不是永动机,因为驴子运动需要不断消耗能量,转化为车的动能。事实上,很多化学驱动的微纳米机器中,其表面的化学反应会持续不断地消耗化学物质,因而“胡萝卜”会越来越小,对驴子的吸引力越来越弱,最终机器停止运行。制造一种能够源源不断从环境中高效汲取能量的微纳米机器一直是一个非常重要的课题。

  读者可能能够意识到,这种利用梯度场(“胡萝卜”)驱动微纳机器的方法,和我们通常熟悉的机器的运行方式差别极大。通常的机器,核心运动构件是马达,其运动是靠电磁场下转子的旋转得到的。如前所述,这种往复式运动并不能驱动微纳米机器。而目前开发出来的用于驱动微纳米机器的梯度场方法,往往效率低下,控制也很差,也并不会有人用这样的方法驱动汽车。但这是我们目前针对微纳米机器人的特殊环境和限制所不得不做出的牺牲。

  

  https://steempeak.com/steemit/@denmarkguy/steemit-musings-if-you-take-away-the-carrot-the-donkey-stops-moving

  纳米机器前景诱人

  在工作原理、制造、控制等几个方面,纳米机器都面临着巨大的挑战,但也孕育着巨大的回报。纳米机器人在生物、医药、环境、军事、航天等多个国计民生重大领域有巨大的潜在用途,或许能够让世界产生我们做梦都无法想象的变革,因而吸引着一批批科技工作者前赴后继投身这个领域。

  在来自世界各地(包括中国)的科研人员的不懈努力下,如今在国际范围内掀起了微纳米机器研究的新热潮。自21世纪初以来,人们合成出了许许多多不同种类的微纳米材料及精巧的分子,并通过化学能、电能、磁能、光能、声能、热能等各种供能方式,让这些人工制造的分子与颗粒在微纳米尺度运动起来。研究人员发布了数以千计的论文、专利、学术报告,来讨论这些材料的合成、驱动机制、相互作用机理,并结合理论和数值模拟,对实验中观察到的现象进行缜密而全面的分析。2016年的诺贝尔化学奖,就颁给了三位超分子领域的专家,以表彰他们在分子机器合成领域的卓越贡献。

  

  2016年化学诺奖三位得主 | 来源:https://www.zmescience.com/science/chemistry/nobel-2016-chemistry-62478/

  目前,一大批科学工作者和工程师们通过精心设计,已成功将在微米尺度游动的微纳米机器人应用于生物探测、智能载药、可控药物释放、血栓清除、杀死肿瘤细胞、环境污染物监测、环境治理、微纳米组装等多个领域。

  

  石墨烯包覆的微米管在过氧化氢中喷射气泡运动,清除水中的污染物 | 来源:https://www.sciencealert.com/graphene-based-nanobots-could-clean-up-the-metal-from-our-oceans

  

  在超声波驱动下,双金属微米棒在宫颈癌细胞内翻腾搅动 | 来源:https://phys.org/news/2014-02-nanomotors-cells-video.html

  特别需要指出的是,虽然纳米机器人有许多潜在的应用,社会大众也对这方面的研究十分关注,但纳米机器人的研究不仅仅是应用研究,也不仅仅涉及工程领域。事实上,这是一个学科高度交叉的研究领域,涉及物理、化学、材料、生物等多个学科的基础科学研究。

  例如,微纳米机器的制备往往不能依靠机械加工手段(即便是精密的微纳加工技术也力有不逮),而是要通过物理、化学的方法合成、制备出具有特殊结构和功能的分子和微纳米材料。而这些材料如何在各种实验环境和参数条件下,按照人们的需要作出前进、后退、旋转等运动,离不开对于其电学、磁学、化学性质等方面的深入了解,以及对其周围环境中化学场、流体场、电磁场的认识。

  此外,“一个好汉三个帮”,在种类繁多的应用中,纳米机器人想必也需要和众多同伴们相互协作。因此,它们之间的相互作用、自组装、群体行为、通讯机制等,对于其应用也是需要仔细研究的问题。除此之外,还有众多大大小小的科学问题等着科学家们去探索,并基于这些发现,来开发出新型的纳米机器人运动、控制和应用技术。

  

  哈佛大学研制的毫米尺寸机器人能够自组装为特定形状 | 来源:https://www.cbc.ca/news/technology/kilobots-robot-swarm-coordinates-to-form-shapes-1.2737414

  而在另一个完全不同的领域,软凝聚态物理学家们将微纳米机器人用作一种模型(他们称之为“活性胶体”),用于模拟、理解生命中的许多涌现现象(emergence)和复杂体系行为(complexity)。这一研究领域被称作“活性物质”,近年来在国内外也引起了极大的关注。或许有朝一日,微纳米机器人能够不仅治疗癌症,还能够在物理学家的努力下,帮助我们理解肿瘤的形成和转移机制,以及鸟群、鱼群等自然界复杂的群体行为。

  

  海洋中的许多鱼类能够自发组织成大型的鱼群以吓阻捕食者 | 来源:http://www.divephotoguide.com/underwater-photography-techniques/article/photographing-schooling-fish/

  纳米机器是不是威力无穷?能不能实现我们寄予厚望的各种奇妙的功能?我们现在还不得而知。但几乎每一天都会看到相关研究取得了有趣和有意义的进展,相关的新闻报道也屡见不鲜。最后,附上一段网络媒体[1]2013年对于微纳米机器人的描述。或许实现这些梦想的那个“将来某一天”已经并不遥远。

  “将来某一天,一名脑血栓病人躺在医院手术室中等待接受危险的脑血栓移除手术,然而,为他做手术的并不是穿着白大褂的医生,而是两百万个肉眼看不见的“纳米机器人”!它们被装在一个透明的玻璃瓶中,当医生将装有纳米机器人的液体注入患者血管后,这些“纳米机器医生”开始游向患者脑部,然后分工合作为患者做手术。

  一些纳米机器人会从事导航任务;一些纳米机器人会从事信号传递任务,以便让手术室中的外科医生能从电子屏幕上监控手术情况;一些纳米机器人负责用“纳米镊子”夹住血栓,让另一些纳米机器人用“纳米手术刀”将血栓切成无数小块然后运走;最后一批纳米机器人则给患者大脑中的受伤组织直接上药,好让这些手术伤口能尽快痊愈。整个手术耗时不到半小时,当手术成功结束后,所有纳米机器人都会在患者的血管中进入“休眠”状态,等待从他的身体中排泄出去。”

  注释

  [1] “纳米机器医生”即将进入人体做手术” http://news.hexun.com/2013-11-18/159763111.html

  本文是作者所译《纳米机器——基础与应用》(科学出版社,2019年)一书前言的改编和扩写。

  本文为严肃科普媒体《返朴》(微信号:fanpu2019)首发,《返朴》由国际一流科学家和科普专家担任总编及编委。任何媒体转载时须保留《返朴》名称及微信号和作者信息。未经许可,严禁对包括标题在内的任何改动。转载、授权、合作请联系fanpusci@163.com

  

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