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想要納米機(jī)器無所不能？先看看這里有多少科學(xué)

小知識(shí)需要流體尺度驅(qū)動(dòng)細(xì)胞科普研究胡蘿卜扇貝機(jī)器人


想要納米機(jī)器無所不能？先看看這里有多少科學(xué)



納米機(jī)器人是一個(gè)學(xué)科高度交叉的研究領(lǐng)域 ， 涉及物理、化學(xué)、材料、生物等多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)研究 。
撰文 | 王威（哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)教授）
說起納米機(jī)器（nanomachines） ， 人們恐怕不免聯(lián)想到科幻小說或者科幻電影 。 讀者會(huì)盡情暢思 ， 聯(lián)想到科幻電影中用于修復(fù)星際戰(zhàn)艦船體的納米機(jī)器人 ， 在沒有硝煙和聲音的戰(zhàn)場(chǎng)上 ， 把破損的結(jié)構(gòu)拆除、分解、修復(fù)；或者從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā) ， 腦海中浮現(xiàn)出在血管中穿梭的小小機(jī)器人 ， 它們可以有幾個(gè)尖利的爪子 ， 巧妙躲避著紅細(xì)胞、白細(xì)胞 ， 或者噴出藥物 ， 或者切割鉆削 ， 為人類的健康而奔波在血液之中 。
科學(xué)幻想中的納米機(jī)器人在血液中拖曳紅細(xì)胞 | 來源：http://www.sohu.com/a/246917314_740022
一個(gè)大眾文學(xué)中對(duì)此的經(jīng)典想象 ， 是1966年Harry Kleiner的電影《奇妙的航程》（Fantastic Voyage ， 艾薩克?阿西莫夫?qū)υ搫”靖木帪橥≌f） 。 在美蘇爭(zhēng)霸的冷戰(zhàn)大背景下 ， 一隊(duì)美國(guó)科學(xué)家登上了縮小到了微米尺度的潛水艇中 ， 進(jìn)入了一個(gè)受傷的外交官的血液中 。 雖然每次心跳所引起的血液波動(dòng)都讓潛艇隨時(shí)處于傾覆的邊緣 ， 身體內(nèi)的抗體也把潛艇當(dāng)做了感染源而瘋狂攻擊 ， 英勇的主角們?nèi)匀荒軌虿倏v潛艇在血液中化險(xiǎn)為夷 ， 并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(chǎng)景 ， 可能會(huì)讓稚氣的孩子們興奮非常 ， 而年長(zhǎng)的人們則難免會(huì)半信半疑 ， 甚至嗤之以鼻 。 1納米是1米的十億分之一 ， 這些比頭發(fā)絲（大約50微米 ， 即5萬納米）還細(xì)小得多的納米機(jī)器人似乎威力無窮但又遙（微）不可及 ， 盡管近幾十年來常常被人提起 ， 卻又好像從未真正出現(xiàn)過 。
我們究竟距離這一天還有多遠(yuǎn)？沿路有哪些艱險(xiǎn)曲折？為之付出巨大的人力物力是值得的嗎？
納米機(jī)器的三大險(xiǎn)阻
有些人認(rèn)為 ， 納米機(jī)器終究只是科學(xué)家和科幻圈的一場(chǎng)小眾狂歡 。 這樣的質(zhì)疑和悲觀似乎十分有道理 。 從上世紀(jì)50、60年代以來 ， 在世界科技發(fā)展進(jìn)步的大多數(shù)時(shí)間里 ， 納米機(jī)器都徘徊于憧憬和夢(mèng)想之中 。 納米尺度的物體運(yùn)動(dòng)要客服太多的艱難險(xiǎn)阻 。 比如 ， 物體越小 ， 受到空氣、水分子的無規(guī)撞擊的影響就越大 ， 其運(yùn)動(dòng)會(huì)顯得十分無規(guī)則 。 這種被稱為“布朗運(yùn)動(dòng)”的效應(yīng)在宏觀上幾乎無法察覺 ， 但在微觀上會(huì)非常顯著 。 布朗運(yùn)動(dòng)和顆粒的化學(xué)組成與密度無關(guān) ， 與溫度直接相關(guān) ， 因而無法根除 。 當(dāng)物體越來越小 ， 就需要克服越來越明顯的布朗運(yùn)動(dòng) 。 因此 ， 在納米尺度 ， 幾乎所有的定向運(yùn)動(dòng)都會(huì)讓位于與之相比巨大得多的環(huán)境擾動(dòng) 。 這也使精確操控微納米機(jī)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游刃有余 ， 布朗運(yùn)動(dòng)在這一電影中被極大的忽視了）
此外 ， 目前（2019年）最精密的機(jī)械加工精度大約是5納米 ， 這也是英特爾等芯片廠商通過數(shù)十年的不斷進(jìn)步所取得的驚人成績(jī) 。 然而這樣的精度或許仍不足以制造我們所需的精密部件 ， 來組裝成滿足需要的納米機(jī)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(dá)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發(fā)絲還細(xì)小一萬倍的零件一個(gè)個(gè)組裝起來 ， 更是技術(shù)上令人咋舌、甚至無法逾越的高峰 。
人頭發(fā)絲上利用雙光子光刻方法3D打印的跳舞的女人| 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(yùn)動(dòng)的干擾 ， 也開發(fā)出了非常精密的技術(shù)以生產(chǎn)、組裝納米尺度的機(jī)器 ， 我們?nèi)匀恍枰紤]這樣的機(jī)器如何運(yùn)作 。 在宏觀尺度 ， 慣性的作用很強(qiáng)大 ， 因而宏觀的動(dòng)物、機(jī)器可以通過簡(jiǎn)單的手臂伸縮或者身體搖擺就能夠順暢地運(yùn)動(dòng)起來（想象一下人游泳的姿勢(shì)） 。 但這樣的“往復(fù)式”（reciprocal）運(yùn)動(dòng)在微觀世界則舉步維艱 。 對(duì)這一問題 ， 1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Purcell在1976年的一場(chǎng)演講中首次提出了所謂“扇貝定律”（scallop theorem） ， 即像扇貝一樣循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)身體部件 ， 是無法讓微生物產(chǎn)生凈位移的 ， 只會(huì)讓它在原地來回運(yùn)動(dòng) 。 因此 ， 同樣受制于扇貝定律的納米機(jī)器人也無法利用螺旋槳、背鰭、尾翼等部件的扇動(dòng)來運(yùn)動(dòng) ， 而需要新的驅(qū)動(dòng)方法 。

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