探索微觀世界的機(jī)器人
不久前，包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種比發(fā)絲直徑還小的“微型千紙鶴”，在電壓的作用下，不到一秒就可以自動(dòng)從平面折疊完成。作為一種大小只有幾十微米的新型微型驅(qū)動(dòng)器，這種充滿(mǎn)想象力的千紙鶴是微納米機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域的又一突破，有助于未來(lái)在微納米水平上完成復(fù)雜而精細(xì)的工作。
人們對(duì)微納米機(jī)器人的暢想早已有之。20世紀(jì)60年代，科幻電影《神奇旅程》就描述了被縮小到只有細(xì)胞大小的“微型潛艇”進(jìn)入人體內(nèi)的冒險(xiǎn)之旅?，F(xiàn)實(shí)世界中，科學(xué)家對(duì)能夠在毫米、微米甚至納米尺度執(zhí)行特定操作的機(jī)器人的研究也從未止步。
目前，國(guó)際上對(duì)微納米機(jī)器人的尺寸還沒(méi)有統(tǒng)一的嚴(yán)格定義?？蒲腥藛T通常將機(jī)器人本體尺寸介于1毫米至1厘米間的稱(chēng)為毫米機(jī)器人，介于1微米至1毫米間的稱(chēng)為微米機(jī)器人，介于1納米至1微米間的稱(chēng)為納米機(jī)器人，后兩者統(tǒng)稱(chēng)為微納米機(jī)器人。微納米機(jī)器人的研究屬于多學(xué)科前沿交叉領(lǐng)域，機(jī)器人學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等學(xué)科的新發(fā)展都會(huì)為微納米機(jī)器人的發(fā)展提供動(dòng)力。
微納米機(jī)器人由于尺寸太小，在研制過(guò)程中主要面臨三方面挑戰(zhàn)：能源、驅(qū)動(dòng)和控制。不同于宏觀機(jī)器人，微納米機(jī)器人無(wú)法外接電線(xiàn)或攜帶電池為其供能，也不能裝載電機(jī)來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。此外，在微觀環(huán)境中，如何觀察及無(wú)線(xiàn)遙控微納米機(jī)器人按指令運(yùn)動(dòng)及作業(yè)，也是需攻克的難題。針對(duì)這些問(wèn)題，科學(xué)家已開(kāi)展的微納米機(jī)器人研究主要包括磁驅(qū)動(dòng)、光驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、化學(xué)驅(qū)動(dòng)微納米機(jī)器人以及微生物機(jī)器人等。
微納米機(jī)器人主要由微納米材料加工制備而成，其結(jié)構(gòu)有球形、圓餅形、螺旋形、籠子形、仿細(xì)菌形等；而微生物機(jī)器人則是利用微生物細(xì)菌、藻類(lèi)細(xì)胞或白細(xì)胞等作為微米機(jī)器人，結(jié)合其自身運(yùn)動(dòng)特性及外部刺激來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)。
得益于超小的尺寸，微納米機(jī)器人能夠進(jìn)入傳統(tǒng)設(shè)備無(wú)法到達(dá)的微觀環(huán)境中運(yùn)動(dòng)及執(zhí)行操作。比如，微納米機(jī)器人可進(jìn)入微流控芯片內(nèi)對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行微操作及裝配，進(jìn)入生物體自然腔道或血管內(nèi)進(jìn)行探測(cè)和藥物遞送，甚至進(jìn)入單個(gè)細(xì)胞內(nèi)部來(lái)測(cè)量細(xì)胞核的楊氏模量。微納米機(jī)器人還可以“協(xié)同作戰(zhàn)”，科學(xué)家可控制其群體改變構(gòu)型穿過(guò)狹小管道，抵達(dá)靶向位置釋放藥物。目前，微納米機(jī)器人已成為科研人員探索微觀世界新現(xiàn)象和新機(jī)理的助手，不過(guò)其結(jié)構(gòu)仍較為簡(jiǎn)單、功能有限。
未來(lái)，如果微納米機(jī)器人能達(dá)到類(lèi)似生物細(xì)胞內(nèi)分子機(jī)器的復(fù)雜程度和功能，它們有望幫助人類(lèi)進(jìn)行DNA分子編輯、從分子層面上治療疾病，由微觀向宏觀構(gòu)建物質(zhì)結(jié)構(gòu)，甚至開(kāi)發(fā)出新型生物能源。微納米機(jī)器人的發(fā)展，一方面需要各相關(guān)學(xué)科不斷取得突破，另一方面也要“師法自然”，從自然界和生活的奇妙智慧中不斷獲得靈感。
（作者為中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究員）
