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纳米机器人,从科幻变成现实

2021-07-08 10:09
陈述根本
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文/陈根

1959年12月,物理学家理查德·费曼以“在微小等级操纵和控制事物的问题”为主题发表了名为“底部充足的空间”的演讲,创造性地提出了“整本的百科全书写在针头上”的设想,成为了后来纳米技术最早的科学预测。

当前,纳米技术经过数十年的发展,已经蔚然成风。当纳米技术为物理、材料、化学、能源科学、生命科学、药理学与毒理学、工程学等七大基础学科提供了创新推动力,成为变革性产业制造技术的重要源泉。

医学领域,纳米技术为医护人员提供了新的非侵入性纳米药物,使得一些最难攻克的疾病的治疗取得了重大进展。纳米技术为药物传输和疾病治疗提供了新的方式和途径。

借助纳米载体,药物可以克服人体的生物屏障,通过人为操控直接到达病灶区,在提高局部药物浓度增强治疗效果的同时减少了对其他组织的损害,其优势在癌症治疗中已然显露。

“纳米机器人”无疑是借助纳米载体给药的最具有代表的技术。作为机器人工程学的一种新兴科技,纳米机器人是根据分子水平的生物学原理,设计制造可对纳米空间进行操作的功能分子器件。

陈根:纳米机器人,以小博大正走向现实

以肿瘤治疗为例来简单说明纳米机器人实现应用的过程:肿瘤组织会产生标靶信号(比如 pH 降低、双氧水过度表达等),标靶信号形成浓度梯度。接下来,根据这个浓度梯度场,导入人体内的纳米机器人可找到标靶的位置,然后通过富集、深层组织穿透,并释放药物,杀死肿瘤。

值得一提的是,为实现纳米机器人的各种潜在应用,纳米机器人还至少要突破两个关键性的技术——纳米操控和智能化。

其中,纳米操控技术,是指在微米或者纳米尺度上,对一个微小的物体进行精密的操控。智能化则是纳米机器人实际应用中的重要一环,旨在利用简单的机器,实现在复杂环境中,进行探索和决策。

基于此,香港大学的唐晋尧教授和清华大学的冯雪教授在dvanced Intelligent Systems 学术期刊发起在线学术会议上,分别围绕“合成纳米机器人-从幻想到基础科学研究”和“柔性仿生传感与智能感知技术”为主题进行了报告分享。

就纳米操控而言,唐晋尧团队制备了 TiO2/Si 纳米树的纳米机器人,在光照下会发生光电池反应,在纳米树的相对两端生成阴离子和阳离子,形成电场,进而在电场的作用下推动纳米树前进运动。通过调节电势及光的方向,可产生非对称的浓度场 / 光电场,纳米树则发生偏转,从而实现不同维度的自由度。

此外,还可以利用光的波长信息以及利用光的传播方向和波长信息叠加,进行多个维度的操控。唐晋尧团队通过对纳米树进行不同染料敏化处理,纳米机器人对不同波段光的响应不同,可以同时实现对多个纳米机器人的操控。

就智能化来说,唐晋尧团队从蚂蚁群、蜜蜂群等生物集群得到灵感,即单独个体无法存活,但是多数个体遵循简单的规则,集群在一起,形成智能化体系,实现集群智能化。通过在纳米机器人之间形成一定的化学通信,比如利用离子交换的化学反应,发生交互作用,进而实现集群共识。

科技革命为人类的生产和生活提供了新工具——纳米科技则通过纳米尺度的精准操作,调控物质的属性。可以说,在日益发展的科技时代中,纳米技术对人们生产和生活的影响还远未止步。

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