作家：黄天云（北京大学工学院进步创造与机械人系、微米纳米加工工夫世界重心实行室、湍流与繁复编造国度重心实行室探讨员）

　　对人类而言，微观寰宇还是存正在良多谜题无论是地球上人命力最刚强的微型生物水熊虫，依旧被誉为“微生物工场”的微米级大肠杆菌，乃至是可寄生正在大肠杆菌中的纳米级噬菌体，以及蕴藏着秘密人命出处的分子基因编码DNA，人们均知之甚少。近半个世纪从此，人们不绝希冀创造出一种能进入微观寰宇的微型机械人，披上水熊虫的“软猬甲”，潜入大肠杆菌的“大脑”，凝听噬菌体的“密语”，领导基因合成卵白质，与细胞协同竣事人命的演化，代庖人类“看看”微观寰宇结果产生了什么。也许就正在不远的来日，这一理思就能完毕微纳米机械人。

　　微观寰宇是一个奇特且充满未知的“蓬莱瑶池”，存正在着浩繁令人难以置信的奇特景物。跟着尺寸减幼，微标准时空效应也渐渐清楚。正在这里，物体的表观积相较体积的比率成反比例扩大，这意味着正在微标准寰宇里，能量的耗散感化特别热烈，人命体的代谢加快、人命周期缩短；微流体境遇的低雷诺数性格表示出黏滞力占优，惯性力可被渺视，物体像是被安插正在出格黏稠的蜂蜜里相通。到了纳米标准，物体还会受到特别激烈的分子间彼此感化力，如范德华力等。此时，物体所受重力感化可被近似渺视，同时，受到分子的机器冲克特别明显，无正派的布朗运动也相对更热烈。

　　正在这种看似极度恶毒的微观寰宇中，却存正在着品种繁多的眇幼智能体，它们显映现刚强的人命力和稀奇性能。比如，水熊虫是一类体长正在亚毫米的微型无脊椎动物，仰仗怪异的心理构造和巨大的基因修复才具，可正在境遇恶化时显映现怪异的隐生“绝技”，以耐受炎热干旱、亲昵绝对零度的极寒冰冻、高海拔缺氧、深海高压、表太空高剂量辐射等极度境遇。正在肉眼难以诀此表微生物寰宇，还存正在着数目惊人的微米级单细胞生物，如原活跃植物机器人、细菌、真菌、支原体、衣原体等。它们遍及散布正在天然界中，与人类的临盆、存在和糊口息息联系。另表，仅由核酸分子和卵白质守卫表壳组成的病毒，因为不具备无缺的细胞形状且摆脱宿主，无法独立竣事新陈代谢，广泛被以为长短人命体博鱼电竞。但它们却拥有遴选性吸附宿主，并正在侵入后借帮宿主细胞供给的原资料机器人，竣事自我复造增殖的才具，显映现令人叹为观止的群集智能与动作。

　　不单云云，微观寰宇的运转是高度结构化的。家喻户晓，细胞是组成生物体的根基单元，其内部更像是一间繁复繁冗却结构有序的“微机械工场”。细胞核是工场的支配中枢，正在酶催化感化下含有新闻编码的DNA正在这里竣事复造并转录成mRNA。源委剪接与妆点后的mRNA进入细胞质，正在卵白质的合成车间核糖体内实行翻译，并将浩繁单个的氨基酸拼装成卵白质长链。这些卵白质再源委包装和妆点，由“货运机车”驱动卵白以微管为导轨运输到指定区域。而机车动力是由工场中的“发电站”线粒体源委氧化代谢发作的分子燃料电池ATP供给。这个微机械工场的一切运转进程怎样做到云云精准、可控且高效，不绝是科学家们企望解开的人命体的终极谜团。这对揭示微观人命的谜团，普及生物合获胜用，矫正生物代谢的对象或途途均拥有主要意旨，可为异日人类可络续繁荣供给主要的工夫支柱与物质保证。

　　大天然巧夺天工，可正在微纳米标准上修造像DNA博鱼电竞、核糖体、噬菌体、大肠杆菌等云云精妙的聪敏人命体。工程上，科学家也正在试图效仿大天然的格式，正在微标准层面创建相通的人造智能体，借帮它们进入微标准，插手调控人命体各个维度分歧阶段的孕育和演化，并通过这些人造微机械与有机人命体间的交互协同，最终完毕自结构，呈现出可控的编造性宏观动作。

　　这里，咱们来简略界说“微纳米机械人”：它们是一种智能微机器编造，尺寸广泛从亚毫米到几十纳米，被商讨用于正在繁复微标准境遇下适当性地自帮竣事可控微操作。

　　机械的微型化供给了一种探寻微观寰宇的全新视角和有用器械，微纳米机械人为夫的繁荣对探寻人命的神秘拥有主要意旨。正在科研探寻方面，举动进步机械人学的主要分支之一，微纳米机械人学是一门集浩繁巨大科知识题与前沿热门工夫的新兴交叉学科，涵盖物理、化学、生物、力学、资料学、微纳创造、微机电编造、机械人学、微动力学、微电子、新闻与支配、生物工程、生物医药、临床医学等多个学科。

　　说起微纳米机械人的史乘，咱们也许可能追溯到20世纪60年代。美国表面物理学家、诺贝尔物理学奖得到者理查德费曼于1959年12月29日正在加州理工学院揭橥的演讲中初次提及纳米工夫，他如许描摹这一奇特的工夫：“底部有足够的空间”。这个划时间的阐述不单奠定了纳米工夫的观点，也预示了微纳米机械人与纳米医学时间的到来。

　　凭据费曼的说法，他当时的博士生阿尔伯特希布斯最早提出“吞噬表科大夫”的斗胆构想，并指出“也许可能正在体内永世植入极少眇幼机械来协帮某些性能不敷的器官平常职业”。这个“跋扈”的思法，随后被改编成通过微缩工夫，将潜艇缩幼到微生物尺寸并注入人体修复脑毁伤的情节，拍成了知名的科幻影戏《奇幻航程》。

　　值得一提的是，这种以微缩的形势进入体内的思法早正在我国古代明朝中叶成书的《西纪行》中就有近似的情节，比如孙悟空变幻成飞虫钻入铁扇公主腹中，可为所欲为转化巨细的如意金箍棒等。我国东晋葛洪所著的《仙人传壶公》中也提到过近似微缩时空的神通：“（费长）房有神术，能缩地脉，千里存正在，目前宛然博鱼电竞。”

　　半个世纪后的2008年，费曼当年的离奇构想，毕竟被瑞士苏黎世联国理工学院的探讨团队获胜完毕人为“磁螨”。这个机器螨虫的尺寸正在亚毫米级，正在高频振荡磁场驱控下，通过将错位磁块彼此撞击发作的惯性报复转化为进步饱动力，以此完毕对眇幼物体的精准操控。2009年，该团队又通过仿生大肠杆菌的螺旋运动研造出人为“细菌鞭毛”，这种由纳米异质薄膜自卷曲工夫创造的三维微螺旋，可正在低场强回旋磁场驱控下竣事精准的靶向药物递送。

　　早期的探讨更多聚焦正在探寻怎样计划将种种能量形势转化为机器能的微推广机构，是以也常常将其现象地称为微纳米马达。近些年，跟着软物质资料、微纳增材创造和人为智能的崛起，微纳米机械人学起头从简单机合性能化，向着使机械适当微标准繁复境遇和多劳动需求的智能化对象繁荣。

　　目前，微机械智能化的探讨已初具雏形，征求微动力与精准操作、微机器增益、软体适当性、细致一连体、模块化重构、新闻存储与照料、羼杂杂交上风、仿生与优化、微编造集成、自结构交互与群集智能，以及分子自拼装/复造/孕育等多个热点对象。目前，该范畴最前沿的职业都正在实验解说或办理，怎样正在微标准下给予机械真正智能这一焦点题目，联合指向了微机械性能化的终极主意和最高阶段：微机械智能，或微标准人为智能。

　　近些年，新兴的进步资料与纳米工夫饱动了微纳米学范畴的速捷繁荣，探讨涉及从分子层面的可控自拼装分子马达、DNA折纸，到微纳标准的复合式机器传动安装、可重构式柔性变体微机械、杂交式生气电编造、集成式微电子微机械、交互式纳米脑机接口，以及如扑翼式机器虫豸的毫米级微型机械人等浩繁前沿对象。这些人造微机用拥有尺寸眇幼、无损微创、超轻巧携、操控精准、性能集成度高、易于大范围创造等怪异上风，且具备超高敏捷度与反应才具、加强的牢固性与鲁棒性、极低的能量牺牲等微标准功能，对精准医学、境遇工程、智能创造、人命科学以及人为智能等浩繁范畴的工夫改良与场景拓展拥有不行代替的饱动感化。

　　正在医学方面，微纳米机械人正在微创介入、靶向输运、速捷救治、早期诊断及结构修复等精准医疗范畴潜力伟大，如愚弄微纳米机械人进入肝肾肿瘤、脑动脉瘤、表周结构器官，对微细供血动脉实行栓塞封堵及血栓断根，通过蛛网膜下腔，进入并精准操控中枢神经编造，完毕调整中晚期癌症困苦支配，愚弄植入式多传感器编造正在体监测心理体征等。

　　除此除表，微纳米机械人异日也能正在河海污水净化、大气污染防治以及生物降解与催化等境遇工程范畴阐述主要感化。这些眇幼智能体，可正在表场驱动下，自结构群集运动，来精准调控片面流场微扰动，对特定境遇条款实行趋势性反应，并通过带领、运载及开释生物酶或催化剂，有遴选性地识别污染物，加快反映过程，大幅普及有机分子、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捉、去除、降解或修复功用。

　　因为本身尺寸幼，微纳米机械人拥有极高的空间自正在度、超冗余聪颖性，可能潜入守旧机械人无法抵达的受限空间内竣事精采化操作，正在繁复三维超资料加工、微电子电途安装与封装、微腔道内探测与检修等高端装置创造范畴拥有怪异上风。格表值得眷注的是，人类能否正在微标准修造近似于细胞内的“卵白质合成工场”，其合节正在于怎样构修用于氨基酸可控拼装且拥有高度可识别性的DNA编码，来精准诱导卵白质的有序合成。已有的探讨显示，纳米磁编纂工夫可正在纳米级精度大将多模态变体新闻嵌入微机械，而其更主要的代价显示正在，愚弄纳米磁编码，可构修起近似于DNA双螺旋的碱基配对。由此机器人，对微纳米机械人实行结构化分工，可能高效有序地实行种种性能微单位的可控安装，异日希望愚弄该工夫正在微标准下真正完毕由“机械创造机械”的“微机械工场”。

　　当然，微纳米机械人的舞台远不限于此，它面向种种本质利用的潜力无尽。咱们现正在有很多题目找不到理思的谜底，但每一个题目都云云令人迷恋：DNA分子揣度机是否可能超越量子揣度机？微型飞舞器的最幼尺寸是多少，微米乃至纳米级？人为智能的物理极限是什么，最幼智能体单位是单个氢氧分子吗？纳米大夫与永远正在体植入，纳米脑机接口与单神经精准操控，跨标准交互怎样完毕由此发作的革命性推倒工夫都将是微纳米机械人异日极具潜力的繁荣对象。

　　微纳米机械人已不单仅存正在于科幻影戏中，各国科学家们正正在踊跃饱动它们从本原探讨迈向真正的本质利用场景，人们对它有一天不妨造福人类和改造寰宇充满遐思和盼望。尽量云云，咱们必要苏醒地了解到，微纳米机械人这一范畴才刚才起步，遍及的多学科交叉，会带来更多集兴办异的棘手困难，还必要从国度层面，踊跃指挥分歧砚科最前沿范畴的科学家深度协同攻合，速捷饱动微纳米机械人范畴的高质地繁荣。面向下一代智能微机械繁荣进步微纳米创造与机械人为夫，咱们要以国度巨大需求为导向，撬动机械、装置机器人、编造的智能化和微型化，重心探究微机械智能化完毕的本原表面与合节工夫，牵引微纳米机械人范畴的速捷繁荣，抢占科技造高点，庇护国度焦点便宜。微纳博鱼电竞米机械人：探寻怪异的微观全国