探索微觀世界的機器人
不久前，包括中國科學(xué)家在內(nèi)的國際團隊研發(fā)出一種比發(fā)絲直徑還小的“微型千紙鶴”，在電壓的作用下，不到一秒就可以自動從平面折疊完成。作為一種大小只有幾十微米的新型微型驅(qū)動器，這種充滿想象力的千紙鶴是微納米機器人研發(fā)領(lǐng)域的又一突破，有助于未來在微納米水平上完成復(fù)雜而精細的工作。
人們對微納米機器人的暢想早已有之。20世紀60年代，科幻電影《神奇旅程》就描述了被縮小到只有細胞大小的“微型潛艇”進入人體內(nèi)的冒險之旅。現(xiàn)實世界中，科學(xué)家對能夠在毫米、微米甚至納米尺度執(zhí)行特定操作的機器人的研究也從未止步。
目前，國際上對微納米機器人的尺寸還沒有統(tǒng)一的嚴格定義。科研人員通常將機器人本體尺寸介于1毫米至1厘米間的稱為毫米機器人，介于1微米至1毫米間的稱為微米機器人，介于1納米至1微米間的稱為納米機器人，后兩者統(tǒng)稱為微納米機器人。微納米機器人的研究屬于多學(xué)科前沿交叉領(lǐng)域，機器人學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等學(xué)科的新發(fā)展都會為微納米機器人的發(fā)展提供動力。
微納米機器人由于尺寸太小，在研制過程中主要面臨三方面挑戰(zhàn)：能源、驅(qū)動和控制。不同于宏觀機器人，微納米機器人無法外接電線或攜帶電池為其供能，也不能裝載電機來產(chǎn)生運動。此外，在微觀環(huán)境中，如何觀察及無線遙控微納米機器人按指令運動及作業(yè)，也是需攻克的難題。針對這些問題，科學(xué)家已開展的微納米機器人研究主要包括磁驅(qū)動、光驅(qū)動、熱驅(qū)動、化學(xué)驅(qū)動微納米機器人以及微生物機器人等。
微納米機器人主要由微納米材料加工制備而成，其結(jié)構(gòu)有球形、圓餅形、螺旋形、籠子形、仿細菌形等；而微生物機器人則是利用微生物細菌、藻類細胞或白細胞等作為微米機器人，結(jié)合其自身運動特性及外部刺激來控制其運動。
得益于超小的尺寸，微納米機器人能夠進入傳統(tǒng)設(shè)備無法到達的微觀環(huán)境中運動及執(zhí)行操作。比如，微納米機器人可進入微流控芯片內(nèi)對微結(jié)構(gòu)進行微操作及裝配，進入生物體自然腔道或血管內(nèi)進行探測和藥物遞送，甚至進入單個細胞內(nèi)部來測量細胞核的楊氏模量。微納米機器人還可以“協(xié)同作戰(zhàn)”，科學(xué)家可控制其群體改變構(gòu)型穿過狹小管道，抵達靶向位置釋放藥物。目前，微納米機器人已成為科研人員探索微觀世界新現(xiàn)象和新機理的助手，不過其結(jié)構(gòu)仍較為簡單、功能有限。
未來，如果微納米機器人能達到類似生物細胞內(nèi)分子機器的復(fù)雜程度和功能，它們有望幫助人類進行DNA分子編輯、從分子層面上治療疾病，由微觀向宏觀構(gòu)建物質(zhì)結(jié)構(gòu)，甚至開發(fā)出新型生物能源。微納米機器人的發(fā)展，一方面需要各相關(guān)學(xué)科不斷取得突破，另一方面也要“師法自然”，從自然界和生活的奇妙智慧中不斷獲得靈感。
（作者為中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研究員）
