便攜式醫(yī)療裝置納米機(jī)器人研究淺析

納米機(jī)器人的定義

納米生物機(jī)器人急救系統(tǒng)是一種以納米、微米尺寸的生物機(jī)器人為核心構(gòu)建的便攜式醫(yī)療裝置，它由數(shù)種細(xì)胞機(jī)器人、病毒機(jī)器人、機(jī)電式微機(jī)器人以及微型聚變反應(yīng)堆、大容量步兵用電池，核心計(jì)算機(jī)、變頻半導(dǎo)體激光器陣列組成。

各個(gè)子系統(tǒng)的功能分別為：生物機(jī)器人獲取傷患處信息、計(jì)算機(jī)控制生物機(jī)器人協(xié)調(diào)行動(dòng)、微型聚變堆和電池提供能量消耗、半導(dǎo)體激光器陣列遠(yuǎn)距離提供能量。

系統(tǒng)的核心是納米、微米級(jí)生物機(jī)器人。類比救護(hù)傷員的步驟，當(dāng)醫(yī)護(hù)兵確認(rèn)是友軍的緊急求救信息時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)將生物機(jī)器人向友軍源源不斷地發(fā)射。生物機(jī)器人群到達(dá)傷口后：

·第一步是凝膠型生物機(jī)器人進(jìn)入斷裂的血管和流出組織液的地方，啟動(dòng)凝膠反應(yīng)止血。

·第二步，一種長(zhǎng)有微牙齒的生物機(jī)器人將傷口的死肉吃掉。

·第三步，兩種病毒機(jī)器人和攜帶標(biāo)準(zhǔn)型人類遺傳基因的干細(xì)胞機(jī)器人開(kāi)始工作，一種病毒機(jī)器人負(fù)責(zé)讀取傷者的DNA，一種病毒機(jī)器人負(fù)責(zé)將傷者的DNA覆寫進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)型干細(xì)胞。

·第四步，激光搬運(yùn)型機(jī)器人進(jìn)入血管和破損的組織間隙，將傷者的血栓和先前進(jìn)入的凝膠型生物機(jī)器人搬運(yùn)出來(lái)，已經(jīng)分化好的干細(xì)胞在激光搬運(yùn)型生物機(jī)器人搬運(yùn)下有序地填充進(jìn)破損的地方。

這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，沒(méi)有有力的指揮控制顯然是不行的。所以，又有數(shù)種生物機(jī)器人構(gòu)成了指揮群。其中包含：

·神經(jīng)元型機(jī)器人。控制程序被編入機(jī)器人中，用來(lái)對(duì)激光搬運(yùn)型生物機(jī)器人下達(dá)指令。

·壓電和化學(xué)電感應(yīng)型病毒機(jī)器人。負(fù)責(zé)感應(yīng)壓力信號(hào)和化學(xué)成分，并以編碼形式傳遞給神經(jīng)元型機(jī)器人。

·光敏型生物機(jī)器人。負(fù)責(zé)接收醫(yī)護(hù)兵的激光數(shù)據(jù)鏈傳來(lái)的信號(hào)和能量，并將信號(hào)傳遞給神經(jīng)元型機(jī)器人。

·細(xì)胞型供能機(jī)器人。將光敏機(jī)器人傳來(lái)的電脈沖能量轉(zhuǎn)化為多種含能化合物并分泌。

·病毒型DNA讀取機(jī)器人。隨時(shí)對(duì)傷處的細(xì)胞進(jìn)行抽樣檢查，以免將癌細(xì)胞作為正常細(xì)胞復(fù)制。

細(xì)胞群是通過(guò)醫(yī)護(hù)兵的半導(dǎo)體激光器獲得能量供應(yīng)的，生物機(jī)器人群在飛行中則依靠飛行型微米機(jī)器人抬著飛。生物機(jī)器人群每完成一處修復(fù)，系統(tǒng)就會(huì)控制納米機(jī)械型機(jī)器人群通過(guò)飛行型微米機(jī)器人抬著飛到動(dòng)力盔甲的破損處，對(duì)動(dòng)力盔甲進(jìn)行修補(bǔ)。戰(zhàn)場(chǎng)上，醫(yī)護(hù)兵對(duì)戰(zhàn)友進(jìn)行遠(yuǎn)距離緊急救治的時(shí)候都會(huì)發(fā)出一束光照射隊(duì)友。由于醫(yī)護(hù)兵具備修復(fù)作為機(jī)械裝置的動(dòng)力盔甲的能力，因此對(duì)系統(tǒng)軟件安裝相應(yīng)補(bǔ)丁之后，還可以利用修復(fù)盔甲的納米機(jī)器人群對(duì)重型武器裝備進(jìn)行修補(bǔ)——但是代價(jià)是更高功率的能量需求。

研究團(tuán)隊(duì)及研究成果小結(jié)：

香港中文大學(xué)，曼徹斯特大學(xué)

香港中文大學(xué)的張立教授和曼徹斯特大學(xué)Kostas Kostarelos教授帶領(lǐng)的研究小組推出一款可生物降解的納米機(jī)器人，未來(lái)可用于診斷疾病或者向人體內(nèi)輸送藥物。研究成果“用于成像引導(dǎo)療法的多功能生物混動(dòng)磁鐵機(jī)器人”以論文的形式發(fā)表于《科學(xué)機(jī)器人（Science Robotics）》期刊上，論文稱機(jī)器人的生物降解性是一個(gè)新的概念，其中鐵磁涂層可以幫助微調(diào)他們降解的速度。利用磁場(chǎng)，研究人員可以在復(fù)雜的生物體內(nèi)精準(zhǔn)遙控機(jī)器人。他們還進(jìn)一步描述了機(jī)器人如何能夠攜帶并釋放出攻擊癌細(xì)胞的有效藥物。

日本研究團(tuán)隊(duì)

日本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種由DNA控制移動(dòng)的微型機(jī)器人，能在特定的信號(hào)會(huì)發(fā)生形體變化，就像變形蟲一樣。該項(xiàng)研究成果已發(fā)表在國(guó)際期刊《Science RoboTIcs》上，研究論文標(biāo)題為“微米級(jí)分子機(jī)器人通過(guò)變形回應(yīng)信號(hào)分子”（Micrometer-sized molecular robot changes its shape in response to signal molecules）。該機(jī)器人與其他納米機(jī)器人不同，它完全是由生物和化學(xué)成分組成，整個(gè)系統(tǒng)有27種成分，其主體結(jié)構(gòu)是磷脂雙分子層制成的囊泡，當(dāng)有紫外線照射時(shí)，光敏DNA會(huì)裂成單鏈，附著在染色體微管上，微管的結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，而核苷酸三磷酸腺苷（ATP）會(huì)提供能量使染色體微管滑動(dòng)，“沖擊”磷脂雙分子層，使機(jī)器人的外膜突出，從而改變整個(gè)囊腔的形狀。

這種獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式，可以使機(jī)器人在微生物領(lǐng)域中大顯身手，在肉眼看不見(jiàn)的微觀世界里，完成人們自己不可能完成的任務(wù)，比如，配備微型電腦和傳感器來(lái)探索微生物分子環(huán)境，或是作為藥物的納米載體等。更重要的是，該機(jī)器人還不到1微米。

中國(guó)科學(xué)院，亞利桑那州立大學(xué)

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)與技術(shù)中心（NCNST）和兩位博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)（ASU）生物設(shè)計(jì)研究所分子設(shè)計(jì)和仿生學(xué)中心主任博士的實(shí)驗(yàn)室合作，在《自然生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）雜志上發(fā)表了題為“ A DNA nanorobot funcTIons as a cancer therapeuTIc in response to a molecular trigger in vivo ”一文，文章對(duì)這種納米機(jī)器人及其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)描述。

人類目前對(duì)抗惡性腫瘤的方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這主要是因?yàn)轶w內(nèi)的健康細(xì)胞也會(huì)被“連累”受到化學(xué)物質(zhì)和輻射的“轟擊”。研究人員一直在努力尋找一種靶向腫瘤且不傷害健康細(xì)胞的方法，由DNA折紙技術(shù)制造的納米機(jī)器人可能是一個(gè)很好的選擇。

DNA折紙技術(shù)采用DNA鏈進(jìn)行折疊。DNA折紙術(shù)是近年來(lái)提出的一種全新的DNA自組裝的方法，是DNA納米技術(shù)與DNA自組裝領(lǐng)域的一個(gè)重大進(jìn)展。

中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，清華生命科學(xué)中心，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所

如何精準(zhǔn)的識(shí)別并殺死癌細(xì)胞是目前醫(yī)學(xué)界的一大難題，用DNA制成的納米機(jī)器人可能是一種有效的選擇。《Nature》刊登了來(lái)自國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)的研究成果，研究顯示他們已經(jīng)成功的使用納米機(jī)器殺死了多種小鼠體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞，該研究團(tuán)隊(duì)的成員基本來(lái)自國(guó)內(nèi)著名高校（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、清華生命科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所等）。

研究團(tuán)隊(duì)從病毒中提取DNA并將其轉(zhuǎn)化為DNA片段。然后在上面加載一種名為“凝血酶”的酶（一種可以凝結(jié)血液的化學(xué)物質(zhì)），然后將其卷成管狀（凝血酶在DNA管的末端）。DNA納米機(jī)器人將會(huì)受到相同DNA片段信號(hào)的指引，一旦納米機(jī)器人被引入生物體內(nèi)，他們就會(huì)四處走動(dòng)，與具有相似DNA片段的細(xì)胞貼近時(shí)，它們就會(huì)附著，然后DNA管打開(kāi)，暴露出凝血酶。凝血酶會(huì)凝結(jié)血液供應(yīng)到腫瘤細(xì)胞內(nèi)，可以有效地切斷其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)并最終殺死它。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)

世界各地的科學(xué)家們寄希望納米工廠的新技術(shù)用于分析生化樣品或生產(chǎn)活性醫(yī)藥劑。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新型的電推進(jìn)技術(shù)。科學(xué)家基于分子研發(fā)出一種DNA納米機(jī)器（具體來(lái)說(shuō)，是一只手臂），當(dāng)技術(shù)發(fā)展成熟后，它就可以被用于完成“即時(shí)任務(wù)”。利用DNA分子的電荷可以快速、準(zhǔn)確地移動(dòng)手臂，使之受到電脈沖的控制移向正確的方向，DNA納米機(jī)器人通過(guò)電場(chǎng)可使得機(jī)器速度比之前快10萬(wàn)倍，甚至可以在幾毫秒內(nèi)作出反應(yīng)。

休斯頓大學(xué)

一個(gè)小機(jī)器人能夠穿過(guò)人類身體內(nèi)部的組織？

被稱為millirobots的毫米級(jí)機(jī)器人能夠?qū)︶t(yī)院醫(yī)用掃描儀產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化進(jìn)行響應(yīng)，并以此為動(dòng)力穿透山羊的腦組織，這一成就對(duì)生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重要作用。許多醫(yī)學(xué)研究人員已經(jīng)做過(guò)關(guān)于利用磁場(chǎng)推動(dòng)和牽引機(jī)器人在人體內(nèi)移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。在這種背景下，休斯頓的研究人員在一個(gè)子彈型機(jī)器人內(nèi)部安裝了一個(gè)“磁力錘”，這個(gè)磁力錘可以產(chǎn)生足夠的力量來(lái)推動(dòng)機(jī)器人進(jìn)入動(dòng)物的大腦中。

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此外，機(jī)器人體內(nèi)還含有一個(gè)不銹鋼珠，它可以通過(guò)磁共振成像（MRI）掃描儀產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向變化，推動(dòng)這個(gè)鋼珠在機(jī)器人體內(nèi)來(lái)回移動(dòng)。當(dāng)移向一個(gè)方向時(shí)，此鋼珠可壓到機(jī)器人后面的機(jī)械彈簧，這樣，在彈簧將珠子釋放的時(shí)候，就可以擊打機(jī)器人的前端，將機(jī)器人錘擊到更深的身體組織中。

這種機(jī)器人可以利用醫(yī)院的標(biāo)準(zhǔn)的MRI掃描儀，也就是說(shuō)在診治過(guò)程中，醫(yī)生在患者體內(nèi)移動(dòng)millirobots機(jī)器人的同時(shí)可生成患者的MRI成像。

東京大學(xué)，東京醫(yī)科齒科大學(xué)

人腦中因?yàn)橛醒X障壁，除了葡萄糖等營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，血液中的物質(zhì)幾乎無(wú)法進(jìn)入腦部，由日本東京大學(xué)和東京醫(yī)科齒科大學(xué)所組成的研究團(tuán)隊(duì)“COINS”，日前成功開(kāi)發(fā)出一種納米機(jī)器人，直徑只有30納米（nm），表面由葡萄糖覆蓋，在大腦血管的特定蛋白質(zhì)與葡萄糖結(jié)合后，藥物便能連帶通過(guò)血腦障壁運(yùn)送至大腦。

研究小組認(rèn)為，透過(guò)運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，未來(lái)對(duì)一些腦部疾病可期望看到前所未有的治療效果。

加州理工學(xué)院

美國(guó)加州理工學(xué)院生物工程助理教授Lulu Qian和同事們開(kāi)發(fā)出一種由單鏈DNA組成的納米機(jī)器人，這種納米機(jī)器人能夠自主地在一種分子表面上“行走”，抓住某些分子，并且將它們釋放到指定的位置上。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《Science》期刊上，論文標(biāo)題為“A cargo-sorTIng DNA robot”。

Qian說(shuō)，“我們想要派送納米機(jī)器人到人類不能夠去的微小空間，如血液。我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)和構(gòu)建能夠執(zhí)行復(fù)雜的納米機(jī)械任務(wù)——貨物分揀（cargo sorting）——的納米機(jī)器人?！?/p>

杜倫大學(xué)，萊斯大學(xué)，北卡羅萊納州立大學(xué)

英國(guó)杜倫大學(xué)、美國(guó)萊斯大學(xué)以及北卡羅萊納州立大學(xué)的科學(xué)家們研發(fā)出一種被光激活的納米機(jī)器人。當(dāng)被光激活后，這種納米機(jī)器人可以在數(shù)分鐘內(nèi)鉆入癌細(xì)胞并殺死它們。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在最新一期的《Nature》雜志上?？茖W(xué)家希望在未來(lái)這種納米機(jī)器人可以用來(lái)非常精確地遞送原子級(jí)別藥物，或者實(shí)際上殺死癌細(xì)胞，包括那些對(duì)現(xiàn)有化療有耐藥性的癌細(xì)胞，從而導(dǎo)致新形式的治療。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，加州大學(xué)圣地亞哥分校

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院張廣玉、李隆球教授和美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校約瑟夫·王教授合作的磁控微納機(jī)器人取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果“磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)自由泳式納米馬達(dá)”和“自主導(dǎo)航微納機(jī)器人”分別發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《納米快報(bào)》和《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》上。

微納機(jī)器人是在微納尺度上能夠?qū)⒉煌问降哪芰哭D(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的納米機(jī)器人。由于尺寸小、裝載能力強(qiáng)，微納機(jī)器人有望橫穿生物組織，運(yùn)輸靶向藥物，實(shí)現(xiàn)腫瘤的精準(zhǔn)治療。然而，如何讓機(jī)器人克服粘滯力，實(shí)現(xiàn)高效輸送，并在人體復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控，是面臨的兩大挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用仿生原理，發(fā)明了一種由振蕩磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的鎳—銀—金—銀—鎳多金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)納米機(jī)器人。該機(jī)器人直徑約為400nm，由多節(jié)柔性鉸鏈組成，可模擬游泳運(yùn)動(dòng)員“自由泳”雙臂交替運(yùn)動(dòng)形式在低雷諾數(shù)流體中快速移動(dòng)，極大提高了磁驅(qū)納米機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率。

中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所

中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的研究人員研發(fā)出具有實(shí)時(shí)視覺(jué)反饋能力的掃描微透鏡超分辨成像技術(shù)，這種新技術(shù)可在自然條件下打破光學(xué)衍射定律所限制的觀測(cè)極限，實(shí)現(xiàn)生命和非生命樣品的超分辨實(shí)時(shí)觀測(cè)，讓納米機(jī)器人的眼睛更加“銳利”。