扇貝定理示意圖 。 如同扇貝一樣往復式地打開和關閉無法在微觀世界運動 | 來源：Bechinger, C.; Di Leonardo, R.; L?wen, H.; Reichhardt, C.; Volpe, G.; Volpe, G. Active Particles in Complex and Crowded Environments. Rev. Mod. Phys. 2016, 88 (4), 045006–045050.
為什么微納機器人不能像扇貝一樣往復運動？非常非常簡化的解釋如下：流體的流動通常由一組稱為納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）的非線性偏微分方程描述 。 對于微納尺度運動的物體來說 ， 慣性對它們的影響很小 ， 而液體對它們來說非常粘稠（所謂低“雷諾數(shù)”流體環(huán)境） 。 在此情況下 ， 斯托克斯方程的簡化表達式為：
-▽p+ μ▽2u=0 ， ▽u=0
這是一個線性方程 。 這意味著流體的流速與所施加的力成比例 ， 即 ▽p= μ▽2u 。 由于在該方程中不存在與時間相關的項 ， 且方程是線性的 ， 這意味著對于完全往復的運動 ， 物體無法獲得凈的向前運動（即扇貝定理） 。
怎樣實現(xiàn)納米機器？
環(huán)境十分惡劣 ， 又無法像宏觀的機器一樣往復運動 ， 實現(xiàn)納米機器曾經(jīng)舉步維艱 。 但科技發(fā)展日新月異 ， 今天的我們已經(jīng)擁有遠勝于五十年前的知識和技術水平 。 納米機器的合成、制備與開發(fā)已經(jīng)逐漸變得可能 。 此外 ， 人們也認識到 ， 自然界其實早已充滿了各式納米機器 。 例如 ， 細胞內(nèi)的輸運蛋白能夠克服布朗運動 ， 在微管束組成的軌道上來來回回運動 ， 像貨運卡車一樣在細胞內(nèi)輸運巨大的貨物；ATP合成酶精巧地旋轉(zhuǎn)一圈 ， 借由細胞內(nèi)外的氫離子梯度 ， 為細胞生產(chǎn)出所需的食物ATP；大腸桿菌、精子細胞、草履蟲等八仙過海各顯神通 ， 揮動鞭毛、纖毛 ， 在惡劣的環(huán)境中游弋并找到食物 。 這些精巧卓絕的生物納米機器讓人嘆為觀止 ， 也為我們設計納米機器提供了最寶貴的經(jīng)驗 。
游動的大腸桿菌的卡通示意圖 | 來源：https://tech.sina.com.cn/d/f/2018-09-12/doc-ihiixyeu6409974.shtml
我們在這里介紹一種很常見的讓微納米機器在流體中運動起來的方法 。 這種方法首先需要制備一種表面材料分布不均勻的顆粒 ， 也稱為Janus顆粒 。 這個名字來源于古羅馬的神袛雙面神Janus ， 它有兩張面孔 ， 一張回望過去 ， 一張?zhí)魍磥?。 因此這種顆粒也被稱為雙面神顆粒（這也是英文單詞一月January的詞源） 。 最簡單的雙面神顆粒是一個微納米球 ， 一半覆蓋了某種材料（例如金屬鉑） ， 能夠在溶液中發(fā)生特定的化學反應（例如鉑催化的過氧化氫分解） 。 因為顆粒兩面的材料不同 ， 化學反應產(chǎn)生了化學物質(zhì)濃度梯度 ， 在此梯度下顆粒能夠因為各種不同的機制（泛泛來說是某種“泳”機制 ， 即phoresis）運動起來 。
羅馬雙面神Janus | 來源：http://www.sohu.com/a/196546395_256799
這種靠化學物質(zhì)的梯度而運動的原理 ， 也適用于宏觀物體 。 例如 ， 漂浮在睡眠的肥皂船上的肥皂溶解在水中 ， 因為船的形狀不對稱 ， 從而形成了表面張力的梯度 ， 拉動了肥皂船的運動 。 《三體》中云天明就是借此暗喻了曲率驅(qū)動這一星際航行的策略 。
曲率驅(qū)動的原理想象圖 。 通過操控飛船前后端空間曲率 ， 實現(xiàn)飛船超光速的運動 。 | 來源：https://www.popsci.com/technology/article/2013-03/faster-light-drive/
這樣的微納米機器好像車頭吊著一個胡蘿卜的驢車 。 前面有胡蘿卜后面沒有 ， 這樣就得到了一個“胡蘿卜的梯度” 。 驢感受到這一梯度 ， 被其吸引 ， 自發(fā)向前運動 。 這個梯度不會因為驢車的運動就消失 ， 而是無時無刻保持在驢車周圍的 ， 因而驢車可以持續(xù)不斷的向前運動 。 這并不是永動機 ， 因為驢子運動需要不斷消耗能量 ， 轉(zhuǎn)化為車的動能 。 事實上 ， 很多化學驅(qū)動的微納米機器中 ， 其表面的化學反應會持續(xù)不斷地消耗化學物質(zhì) ， 因而“胡蘿卜”會越來越小 ， 對驢子的吸引力越來越弱 ， 最終機器停止運行 。 制造一種能夠源源不斷從環(huán)境中高效汲取能量的微納米機器一直是一個非常重要的課題 。
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