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  作者:黄天云(北京大学工学院先进制造与机器人系、微米纳米加工技术全国重点实验室、湍流与复杂系统国家重点实验室研究员)

  对人类而言,微观世界仍然存在很多谜题——无论是地球上生命力最顽强的微型生物水熊虫,还是被誉为“微生物工厂”的微米级大肠杆菌,甚至是可寄生在大肠杆菌中的纳米级噬菌体,以及蕴含着神秘生命起源的分子基因编码DNA,人们均知之甚少。近半个世纪以来,人们一直渴望制造出一种能进入微观世界的微型机器人,披上水熊虫的“软猬甲”,潜入大肠杆菌的“大脑”,聆听噬菌体的“私语”,指挥基因合成蛋白质,与细胞协同完成生命的演化,代替人类“看看”微观世界到底发生了什么。也许就在不远的将来,这一愿望就能实现——微纳米机器人。

  别有洞天的微观世界

  微观世界是一个神奇且充满未知的“洞天福地”,存在着众多令人难以置信的神奇景象。随着尺寸减小,微尺度时空效应也逐渐显现。在这里,物体的表面积相较体积的比率成反比例增加,这意味着在微尺度世界里,能量的耗散作用更加剧烈,生命体的代谢加快、生命周期缩短;微流体环境的低雷诺数特性表现出黏滞力占优,惯性力可被忽略,物体像是被放置在非常黏稠的蜂蜜里一样。到了纳米尺度,物体还会受到更加强烈的分子间相互作用力,如范德华力等。此时,物体所受重力作用可被近似忽略,同时,受到分子的机械冲撞更加显著,无规则的布朗运动也相对更剧烈。

  在这种看似极端恶劣的微观世界中,却存在着种类繁多的微小智能体,它们展现出顽强的生命力和奇异功能。例如,水熊虫是一类体长在亚毫米的微型无脊椎动物,凭借独特的生理构造和强大的基因修复能力,可在环境恶化时展现出独特的隐生“绝技”,以耐受酷热干旱、接近绝对零度的极寒冰冻、高海拔缺氧、深海高压、外太空高剂量辐射等极端环境。在肉眼难以分辨的微生物世界,还存在着数量惊人的微米级单细胞生物,如原生动植物、细菌、真菌、支原体、衣原体等。它们广泛分布在自然界中,与人类的生产、生活和生存息息相关。此外,仅由核酸分子和蛋白质保护外壳构成的病毒,由于不具备完整的细胞形态且脱离宿主,无法独立完成新陈代谢,通常被认为是非生命体。但它们却具有选择性吸附宿主,并在侵入后借助宿主细胞提供的原材料,完成自我复制增殖的能力,展现出令人叹为观止的群集智能与行为。

  不仅如此,微观世界的运行是高度组织化的。众所周知,细胞是构成生物体的基本单位,其内部更像是一间复杂繁忙却组织有序的“微机器工厂”。细胞核是工厂的控制中枢,在酶催化作用下含有信息编码的DNA在这里完成复制并转录成mRNA。经过剪接与修饰后的mRNA进入细胞质,在蛋白质的合成车间——核糖体内进行翻译,并将众多单个的氨基酸组装成蛋白质长链。这些蛋白质再经过包装和修饰,由“货运机车”驱动蛋白以微管为导轨运输到指定区域。而机车动力是由工厂中的“发电站”线粒体经过氧化代谢产生的分子燃料电池ATP提供。这个微机器工厂的整个运行过程如何做到如此精准、可控且高效,一直是科学家们期望解开的生命体的终极谜团。这对揭示微观生命的谜团,提高生物合成效率,改进生物代谢的方向或路径均具有重要意义,可为未来人类可持续发展提供重要的技术支撑与物质保障。

  为探索微观世界而生的微纳米机器人

  大自然鬼斧神工,可在微纳米尺度上建造像DNA、核糖体、噬菌体、大肠杆菌等如此精妙的智慧生命体。工程上,科学家也在试图模仿大自然的方式,在微尺度层面创造相似的人造智能体,借助它们进入微尺度,参与调控生命体各个维度不同阶段的生长和演化,并通过这些人造微机器与有机生命体间的交互协同,最终实现自组织,涌现出可控的系统性宏观行为。

  这里,我们来粗略定义“微纳米机器人”:它们是一种智能微机械系统,尺寸通常从亚毫米到几十纳米,被考虑用于在复杂微尺度环境下适应性地自主完成可控微操作。

  机器的微型化提供了一种探索微观世界的全新视角和有效工具,微纳米机器人技术的发展对探索生命的奥秘具有重要意义。在科研探索方面,作为先进机器人学的重要分支之一,微纳米机器人学是一门集众多重大科学问题与前沿热点技术的新兴交叉学科,涵盖物理、化学、生物、力学、材料学、微纳制造、微机电系统、机器人学、微动力学、微电子、信息与控制、生物工程、生物医药、临床医学等多个学科。

  说起微纳米机器人的历史,我们或许可以追溯到20世纪60年代。美国理论物理学家、诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼于1959年12月29日在加州理工学院发表的演讲中首次提及纳米技术,他这样描述这一神奇的技术:“底部有足够的空间”。这个划时代的论述不仅奠定了纳米技术的概念,也预示了微纳米机器人与纳米医学时代的到来。

  根据费曼的说法,他当时的博士生阿尔伯特·希布斯最早提出“吞噬外科医生”的大胆构想,并指出“或许可以在体内永久植入一些微小机器来协助某些功能不足的器官正常工作”。这个“疯狂”的想法,随后被改编成通过微缩技术,将潜艇缩小到微生物尺寸并注入人体修复脑损伤的情节,拍成了著名的科幻电影《奇幻航程》。

  值得一提的是,这种以微缩的形式进入体内的想法早在我国古代明朝中叶成书的《西游记》中就有类似的情节,例如孙悟空幻化成飞虫钻入铁扇公主腹中,可随心所欲变化大小的如意金箍棒等。我国东晋葛洪所著的《神仙传·壶公》中也提到过类似微缩时空的法术:“(费长)房有神术,能缩地脉,千里存在,目前宛然。”

  半个世纪后的2008年,费曼当年的奇妙构想,终于被瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队成功实现——人工“磁螨”。这个机械螨虫的尺寸在亚毫米级,在高频振荡磁场驱控下,通过将错位磁块相互撞击产生的惯性冲击转化为前进推动力,以此实现对微小物体的精准操控。2009年,该团队又通过仿生大肠杆菌的螺旋运动研制出人工“细菌鞭毛”,这种由纳米异质薄膜自卷曲技术制造的三维微螺旋,可在低场强旋转磁场驱控下完成精准的靶向药物递送。

  早期的研究更多聚焦在探索如何设计将各类能量形式转化为机械能的微执行机构,因此也经常将其形象地称为微纳米马达。近些年,随着软物质材料、微纳增材制造和人工智能的兴起,微纳米机器人学开始从单一结构功能化,向着使机器适应微尺度复杂环境和多任务需求的智能化方向发展。

  如今,微机器智能化的研究已初具雏形,包括微动力与精准操作、微机械增益、软体适应性、柔顺连续体、模块化重构、信息存储与处理、混合杂交优势、仿生与优化、微系统集成、自组织交互与群集智能,以及分子自组装/复制/生长等多个热门方向。目前,该领域最前沿的工作都在尝试解释或解决,如何在微尺度下赋予机器真正智能这一核心问题,共同指向了微机器功能化的终极目标和最高阶段:微机器智能,或微尺度人工智能。

  具有广阔的应用前景

  近些年,新兴的先进材料与纳米技术推动了微纳米学领域的快速发展,研究涉及从分子层面的可控自组装分子马达、DNA折纸,到微纳尺度的复合式机械传动装置、可重构式柔性变体微机器、杂交式生机电系统、集成式微电子微机器、交互式纳米脑机接口,以及如扑翼式机械昆虫的毫米级微型机器人等众多前沿方向。这些人造微机器具有尺寸微小、无损微创、超轻便携、操控精准、功能集成度高、易于大规模制造等独特优势,且具备超高灵敏度与响应能力、增强的稳定性与鲁棒性、极低的能量耗损等微尺度性能,对精准医学、环境工程、智能制造、生命科学以及人工智能等众多领域的技术革新与场景拓展具有不可替代的推动作用。

  在医学方面,微纳米机器人在微创介入、靶向输运、快速救治、早期诊断及组织修复等精准医疗领域潜力巨大,如利用微纳米机器人进入肝肾肿瘤、脑动脉瘤、外周组织器官,对微细供血动脉进行栓塞封堵及血栓清除,通过蛛网膜下腔,进入并精准操控中枢神经系统,实现治疗中晚期癌症疼痛控制,利用植入式多传感器系统在体监测生理体征等。

  除此之外,微纳米机器人未来也能在河海污水净化、大气污染防治以及生物降解与催化等环境工程领域发挥重要作用。这些微小智能体,可在外场驱动下,自组织群集运动,来精准调控局部流场微扰动,对特定环境条件进行趋向性响应,并通过携带、运载及释放生物酶或催化剂,有选择性地识别污染物,加快反应进程,大幅提高有机分子、毒/核素、海洋油污、致病微生物、微塑料、重金属及放射性等污染物的捕获、去除、降解或修复效率。

  由于自身尺寸小,微纳米机器人具有极高的空间自由度、超冗余灵巧性,可以潜入传统机器人无法到达的受限空间内完成精细化操作,在复杂三维超材料加工、微电子电路装配与封装、微腔道内探测与检修等高端装备制造领域具有独特优势。特别值得关注的是,人类能否在微尺度建造类似于细胞内的“蛋白质合成工厂”,其关键在于如何构建用于氨基酸可控组装且具有高度可识别性的DNA编码,来精准指导蛋白质的有序合成。已有的研究显示,纳米磁编辑技术可在纳米级精度上将多模态变体信息嵌入微机器,而其更重要的价值体现在,利用纳米磁编码,可构建起类似于DNA双螺旋的碱基配对。由此,对微纳米机器人进行组织化分工,可以高效有序地进行各类功能微单元的可控装配,未来有望利用该技术在微尺度下真正实现由“机器制造机器”的“微机器工厂”。

  当然,微纳米机器人的舞台远不限于此,它面向各类实际应用的潜力无限。我们现在有许多问题找不到理想的答案,但每一个问题都如此令人着迷:DNA分子计算机是否可以超越量子计算机?微型飞行器的最小尺寸是多少,微米甚至纳米级?人工智能的物理极限是什么,最小智能体单元是单个氢氧分子吗?纳米医生与长期在体植入,纳米脑机接口与单神经精准操控,跨尺度交互如何实现……由此产生的革命性颠覆技术都将是微纳米机器人未来极具潜力的发展方向。

  微纳米机器人已不仅仅存在于科幻电影中,各国科学家们正在积极推动它们从基础研究迈向真正的实际应用场景,人们对它有一天能够造福人类和改造世界充满遐想和期待。尽管如此,我们需要清醒地认识到,微纳米机器人这一领域才刚刚起步,广泛的多学科交叉,会带来更多集成创新的棘手难题,还需要从国家层面,积极引导不同学科最前沿领域的科学家深度协同攻关,快速推动微纳米机器人领域的高质量发展。面向下一代智能微机器发展先进微纳米制造与机器人技术,我们要以国家重大需求为导向,撬动机器、装备、系统的智能化和微型化,重点探究微机器智能化实现的基础理论与关键技术,牵引微纳米机器人领域的快速发展,抢占科技制高点,维护国家核心利益。