发展简史

渊源已久

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。[12]
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”[12]

理查德·费曼

高速发展

近年来，这一新兴技术发展势头迅猛，在《高级材料》的杂志上，纳米科学与工程中心的研究员介绍了一种纳米马达。分子马达即分子机械或纳米马达 molecular motor，是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。[13]
研究人员将新研发的螺旋纳米马达放入活细胞中，并引导其追踪两个字母——“N”和“M”。他们采用磁场控制螺旋纳米结构，这种结构十分稳定，在细胞内运动时不会伤到细胞组织，这是此技术最大的亮点。研究人员在显微镜下将细胞放入磁圈内。然后，通过旋转磁场，他们能够控制和追踪细胞内纳米马达的运动轨迹。这项研究目前还处于初始阶段，研究人员希望未来使用此技术进行靶向药物输送，纳米传感，和纳米手术。[14]

德国科学家研发高效纳米机器人

德国慕尼黑工业大学研究人员开发出一种新的纳米机器人电驱动技术，可使纳米机器人在分子工厂像流水线一样以足够快的速度工作，比迄今为止使用的生化过程快 10 万倍。现在各国之所以在加紧研发纳米机器人技术，是因为他们希望有一天利用分子机器来分析生物样品或生产药物，效率比起传统方式将大大提升。[15]
慕尼黑工大合成生物系统物理系主任弗里德里希·西麦尔（Friedrich Simmel）教授领导的研究团队，通过施加电场，首次成功实现电控纳米机器人，新的驱动技术比以前的方法快 10 万倍。西麦尔介绍，新驱动技术的原理很简单：DNA 分子带有负电荷，通过施加电场，生物分子就可以移动。由于纳米机器人体积小且价格低廉，数百万个纳米机器人可同时工作，就像在流水线上一样，逐步发现化学试剂中的特定物质或合成复杂分子。[15]

美国科学家研发纳米双足机器人

美国纽约大学化学家研制出世界上第一个纳米双足机器人，它的步长仅为10nm，由DNA片段组成的双腿成功迈出了自己的第一步。[16]

中国科学家研发纳米机器人治疗白血病

白血病也就是血癌是一种恶性肿瘤，很难治愈。目前根治的方法是换骨髓，首先骨髓源就是难题，其次手术风险很大，花费很高。有些患者就只能靠化疗维持生命。中国哈尔滨工业大学研发出一款纳米机器人，为白血病患者带来了新的希望，因为这种神奇的机器人可以替代手术刀治愈白血病。中国哈尔滨工业大学的医疗纳米机器人，已经完成了动物实验，预计五年内便可进行临床试验。形象来说，这种纳米机器人充当了一种搬运清理工的角色。它们体型很小，和细胞相当，可以进入医疗器械难以到达的地方，然后抓住变异细胞并将其杀死。[17]
杀死变异细胞后，它们不会立马消失，而是当起了巡逻警察，在体内不断巡逻，寻找细菌、病毒和变异的细胞，一段时间后，它们觉得已经没问题了，就会降解融入血液之中。这样便可以最大限度地减少手术的需要，由于纳米机器人可以从细胞层面从事医疗工作，未来还有望承担抗癌、止血、修复伤口、人工授精等复杂工作。最终可以延缓人类的衰老，像金刚狼一样长寿。更为神奇的一点是这些纳米机器人能进行自我复制。也就是说，治疗时只需要放入少量纳米机器人，一旦它们发现”敌人“，就会自爆或者以破坏分子结构的方式，对关键部位形成破坏。[17]

工作原理

纳米机器人是一种在纳米尺度上运行的微型机器或设备，通常在纳米范围内进行操作。这些微型机器人被设计用于在分子或细胞水平上执行特定任务。它们是利用纳米技术构建的，涉及在原子和分子水平上操纵和控制物质。纳米机器人学是一个跨学科领域，结合了机器人技术、纳米技术和材料科学的原理来开发纳米级机器人。这是一个新兴的科技领域，涉及纳米级机器人的设计、开发和控制。[18]
纳米技术是一门科学和工程学科，专注于在纳米尺度（通常是100纳米或更小）操纵和利用原子和分子。它包括设计、制造和应用各种结构、设备和系统，并对它们的属性和功能进行精确控制。纳米技术的工作原理是在纳米尺度上操纵和控制物质，涉及单个原子和分子的操作。[18]
纳米技术利用各种技术和方法来设计具有特定属性和功能的材料结构和设备。通过在如此小的尺度上进行研究，纳米技术为探索和利用材料的非凡性能提供了独特的机会。科学家和工程师使用自下而上和自上而下的方法来操纵和组装纳米级组件。这使得他们能够创造具有不同于普通材料的定制特性和行为的新材料。[18]
纳米机器人目前主要有四种工作原理：
1. 生物分子机械学：主要通过生物分子与其他分子之间的力学相互作用来构建纳米机器人。例如，2016年，加拿大蒙特利尔工学院领导研制出一款纳米机器人，能够在人体血管内运行并可以将抗癌药物精准地递送到肿瘤细胞中。资料显示，这款纳米机器人实际上可以看作一群细菌，每个细菌都有鞭毛并且可以携带药物自我推进。由于这些特殊的细菌携带了“氧气浓度测量感应器”，所以能够通过感应低氧环境进入肿瘤内部。[19]
2. 分子自组装技术：这项技术允许纳米级别的组件或分子在没有外部干预的情况下自行组装成具有特定结构和功能的系统。[20]例如，多伦多大学的研究人员开发的新型纳米机器人，通过施加磁性镊子的力量和精度，可以实现三维导航，并在细胞中精确活动，研究细胞在癌症不同阶段的状态。[21]
3. 蛋白质自组装：通过蛋白质与蛋白质之间的相互作用来构建纳米机器人，这一技术在医疗领域有广泛的应用前景，包括诊断、治疗和精准操作。[22]
4. 微流体技术：纳米机器人可以通过微流体技术在体内移动，例如德国研究所创造出的纳米机器人，它们可以通过尾巴完成受精过程。[23]

基本构造

VLSI

超大规模集成电路（Very Large Scale Integration Circuit，VLSI）是一种将大量晶体管组合到单一芯片的集成电路，其集成度大于大规模集成电路。[24][25]

纳米电子电路

完全用碳纳米管制作的第一个电子开关和逻辑器件。[26]

化学传感器

化学传感器是一种能够检测气体、液体或固体中化学物质并转化为可读信号的装置。[27]

温度传感器

温度传感器是一台可检测和测量热度及冷度并将其转换为电信号的设备。[28]

驱动器

驱动器是电子元器件行业中的一种关键元件，用于控制电子设备的运行。它可以将一种特定的电子设备的电源转换为其他格式的电源，以控制其功能，如电机控制，信号处理等。[29]

纳米机器人的基础构成

动力部件为纳米驱动器或分子马达，如无机材料建造的纳米电机、病毒蛋白直线VPL马达、ATP马达、DNA马达、鞭毛马达等；结构件、连接件由无机纳米材料或生物物质构建，如TNC、DNA关节、蛋白质等；传感器由可感知生化信号的纳米传感器组成；第三代纳米机器人甚至包含控制器或生物计算机。[30]
    生物传感器、动力部件是纳米机器人的重要组成部分，是其能否完成任务的关键。目前纳米机器人所用的传感器包含两种：化学传感器和温度传感器。其中，纳米化学传感器可有效实现对人体内部某些特定结构的生物大分子的检测，帮助医生确诊疾病；当身体出现问题时，病灶会发生温度上的变化，温度传感器感知后可有效帮助医生确定患者患病部位，进而为药物的精准运输提供指引，防止对身体其他健康部位的损害。[30]
目前纳米机器人的驱动方式，具体可分为借助光、声波、电磁场等的物理驱动方式以及包括气泡推进、仿生鞭毛推进等的化学驱动方式两种。电磁场等物理方式、仿生鞭毛推进的驱动方式是学界研究重点。因而，筛选到一种具有较好生物相容性和长期自主运动特性的新纳米粒子驱动方式，来确保机器人在体内更安全、持续地运行便是一个重大的挑战。武汉理工大学官建国教授团队制备出一种前后两面由不同化学物质组成的’双面神’纳米粒子，其可根据不同情况实现各种智能运动。[30]

基本分类

纳米机器人的种类

目前已存在的微纳米机器人按照驱动机理, 可分为自驱动(自动)、外场驱动(非自动)2种类型。[30]
自驱动微纳米机器人是指微纳米机器人自身能够从所处流体环境中获得动力, 从而产生运动, 按照获得动力的方式不同, 可分为自电泳驱动、自扩散泳驱动、自热泳驱动、气泡驱动等方式。而外场驱动微纳米机器人指的是只有在施加外场的作用下才能发生运动的一类微纳米机器人；它们并不能从周围环境中获得动力, 因此当没有施加外场时，这类微纳米机器人不会产生运动(不包括布朗运动)；根据外场的性质, 外场驱动的方式可分为磁场驱动、声场驱动、光驱动等。[30]
第一类：不含生物材料的纯机械纳米机器人。
　这种机器人是由金属材料构成，通过化学反应或外部能量输入（如磁场、超声波和光场）进行驱动。由于容易启动，到目前为止，这个分类中最受欢迎的模型是磁力推进的纳米机器人，其中集成了磁性部件的纳米机器人使用无害的外部磁力移动。[31]
第二类：DNA纳米机器人。
是用折纸的方式组装的，其中DNA分子被折叠成三维配置，以扩大表面积来存储数据并实现化学推进。目前，科学家们正在使用DNA折纸技术来设计DNA计算机，这些计算机可以监测和记录其周围环境，执行程序，并在其核代码中存储信息。[31]
第三类：生物混合纳米机器人。
　　这些混合系统将无机纳米材料与活的微观生物体整合在一起，可以自我推进或利用外部资源进行推进。与传统的人工纳米机器人相比，生物混合纳米机器人有许多优势。[31]
　　最重要的优势是它们的生物相容性，特别是对源自生物有机体的成分，如最小化的免疫细胞、DNA或精子。[31]
　第四类：异种机器人。
　　听名字就知道是一个异类，与上面介绍的三种完全不同。[31]
　　这种机器人的速度更快，在不同的环境中导航，并且寿命持久。[31]
　　同样地，它们仍然可以成群结队地工作，并在受损时自我愈合。[31]

医用纳米机器人

纳米科技在原子、分子尺度上，研究物质的特性和相互作用，对物质进行精确加工和原子制造，能够对生命健康和疾病过程进行精准调控。[32]
把纳米颗粒作为治疗药物的载体，则可以让它在人体内输送药物，而且是像快递员一样，定点递送。[32]
除了精准送药的“快递员”，未来，纳米机器人也可能进入人体，来给人们看病。它是能对纳米空间进行操作的“功能分子器件”集合形成的系统。这个“机器人”和通常的机器人形象有着很大差别。一根纳米棒、纳米管就可以是一个纳米机器人。[32]
未来，人们有望利用自组装纳米机器人通过血管直达病灶，进行疾病治疗以及自我修复，比如，消除体内的肿瘤细胞，进行微创手术等。[32]
科学家根据分子病理学的原理已经研制出各种各样的可以进入人体的纳米机器人，有望用于维护人体健康。[33]
医用纳米机器人目前还处在试验阶段，大到长几毫米，小到直径几微米；但可以肯定的是，未来几年内，纳米机器人将会带来一场医学革命。许多工程师、科学家和医生都认为，医用纳米机器人有着无限的潜力——而其中最有可能的包括：治疗动脉粥样硬化、抗癌、去除血块、清洁伤口、帮助凝血、祛除寄生虫、治疗痛风、粉碎肾结石、人工授精以及激活细胞能量，使人不仅保持健康，而且延长寿命。 [33]

肿瘤治疗DNA纳米机器人
2010年5月，美国哥伦比亚大学的科学家成功研制出一种由脱氧核糖核酸(DNA)分子构成的纳米蜘蛛机器人，它们能够跟随DNA的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止，并且它们能够自由地在二维物体的表面行走。这种纳米蜘蛛机器人只有4纳米长(一纳米为一米的十亿分之一)，比人类头发直径的十万分之一还小。[33]

纳米蜘蛛机器人复制出了另一个机器人，继而被染成绿色，并朝红色目标移动
虽然之前的纳米机器人也实现了行走功能，但不会超过3步。而纳米蜘蛛机器人却能行进100纳米距离，相当于50步。科学家通过编程，让其能够沿着特定的轨道运动；这一进展的强大之处在于：一旦被编程，纳米蜘蛛机器人就能够自动完成任务，而不需要人为介入。他们认为：纳米蜘蛛机器人可以用于医疗事业，以帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的，还可以帮助人们完成外科手术，清理动脉血管垃圾等。[33]
科学家已经研发出这种机器人的生产线。随着这种机器人的问世，科学家在朝着打造可在血管中穿行，用于杀死癌细胞的先进装置的道路上又向前迈进一大步。以色列科学家目前正在研制一种微型纳米机器人，它可以在人体内“巡逻”，在锁定病灶后自动释放所携带的药物。这种技术的原理是：在编程过程中将某种特定疾病定义为“是”状态。“巡逻”过程中，机器人可执行一系列计算，检查所在位置处信使核糖核酸(mRNA)上的疾病指标。如果某种特定疾病的所有指标都满足，机器人这时会做出应该释放药物的判断。如果检测到的指标并不充分，它最后会位于“否”的状态。[33]
科学家对这种机器人进行了不断的改进，并取得了突破性的进展，它现在可以从多种渠道来检测疾病指标，例如mRNA、微核糖核酸(miRNA)、蛋白质以及多种小分子。科学家的目标是：在未来创造大量这种纳米机器人，让它们自动且不间断地在身体内巡逻，寻找各种疾病信号。由于可以从多种渠道直接探测疾病指标，所以诊断更为精确。[33]
在经过更多更好的计算以后，这种机器人还可以向发现疾病的位置释放第一轮预防性药物，作为防止传染的第一道防线。虽然在现实中该技术离我们还有些遥远，但其随时警惕身体健康状态的设想仍非常诱人。[33]

医用纳米机器人概念图

军用纳米机器人

纳米武器，顾名思义，是指这种武器尺寸很小。纳米(1纳米＝10-9米)，这个计量单位在日常生活中很少出现，因为它太小了。拿“大”东西头发比，普通头发就有6万～7万纳米粗；拿小东西原子比，一纳米也就五个原子排列起来的长度。因此，肉眼是根本看不见纳米级的物体的。研究纳米级物质(包括分子、原子、电子)在100皮米(1皮米＝10-12米)～100纳米空间内的运动规律、内在运动特点，并利用这些特性制造特定功能产品(包括纳米武器在内)的高新尖技术，就是现在在科技界耳熟能详的纳米技术。[34]
进入21世纪，科技发展如火如荼，军事变革风起云涌。目前，各主要军事大国正在积极进行军用纳米机器人的研发，并已成功研制出数十种纳米机器人用的元器件；纳米机器人部队将在一些实验室或生产在线整装待发。[33]

军用纳米机器人
麻雀”卫星。美国于1995年提出了纳米卫星的概念。这种卫星比麻雀略大，重量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，采用最先进的微机电一体化集成技术整合，具有可重组性和再生性，成本低，质量好，可靠性强。一枚小型火箭一次就可以发射数百颗纳米卫星。若在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳米卫星，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。[34]
“蚊子”导弹。由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多，可以大大提高武器控制系统的信息传输、存储和处理能力，可以制造出全新原理的智能化微型导航系统，使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力发生质的变化。利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹，可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和弹药。[34]
“苍蝇”飞机。这是一种如同苍蝇般大小的袖珍飞行器，可携带各种探测设备，具有信息处理、导航和通信能力。其主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近，监视敌方情况。这些纳米飞机可以悬停、飞行，敌方雷达根本发现不了它们。据说它还适应全天候作战，可以从数百千米外将其获得的信息传回己方导弹发射基地，直接引导导弹攻击目标。[34]
　　“蚂蚁士兵”。这是一种通过声波控制的微型机器人。这些机器人比蚂蚁还要小，但具有惊人的破坏力。它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显神通：有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。[34]
　　此外，还有被人称为“间谍草”或“沙粒坐探”的形形色色的微型战场传感器等纳米武器装备。所有这些纳米武器组配起来，就建成了一支独具一格的“微型军”。据美国国防部专家透露，美国第一批“微型军”将在5年内服役，10年内可大规模部署。[34]
纳米武器实现了武器系统超微型化，使目前车载机载的电子战系统浓缩至可单兵携带，隐蔽性更好，安全性更高。[34]
纳米武器实现了武器系统高智能化，使武器装备控制系统信息获取速度大大加快，侦察监视精度大大提高。[34]
纳米武器实现了武器系统集成化生产，使武器装备成本降低、可靠性提高，同时使武器装备研制、生产周期缩短。[34]

关键技术

当前，世界各国在科学技术领域的竞争十分激烈，各军事大国都想率先掌握纳米技术，从而实现对他国的技术优势，并通过各种手段力求确保本国成为纳米技术的唯一拥有者。同时，在获取绝对技术优势之前，各大国都在千方百计的掩饰本国在纳米技术领域的研究进展。[35]
美国一直非常重视纳米技术的开发。美国高层认为，哪个国家率先掌握了纳米技术就可以在未来的全球地缘政治格局中占据优势地位，纳米武器在未来战争中的作用甚至会超过核武器，纳米武器的出现比当年原子弹的出现对国家地位和实力的影响还要大。“氢弹之父”爱德华泰勒早就对此做出了预言，“哪个国家率先掌握了纳米技术，就一定会在下世纪的世界技术领域里占据主导地位。”[35]
纳米技术为物理、材料、化学、能源科学、生命科学、药理学与毒理学、工程学等七大基础学科提供了创新推动力，成为变革性产业制造技术的重要源泉。[36]

纳米操控技术

纳米操控技术，是指在微米或者纳米尺度上，对一个微小的物体进行精密的操控。智能化则是纳米机器人实际应用中的重要一环，旨在利用简单的机器，实现在复杂环境中，进行探索和决策。基于此，香港大学的唐晋尧教授和清华大学的冯雪教授在dvanced Intelligent Systems 学术期刊发起在线学术会议上，分别围绕“合成纳米机器人-从幻想到基础科学研究”和“柔性仿生传感与智能感知技术”为主题进行了报告分享。[36]
就纳米操控而言，唐晋尧团队制备了 TiO2/Si 纳米树的纳米机器人，在光照下会发生光电池反应，在纳米树的相对两端生成阴离子和阳离子，形成电场，进而在电场的作用下推动纳米树前进运动。通过调节电势及光的方向，可产生非对称的浓度场 / 光电场，纳米树则发生偏转，从而实现不同维度的自由度。[36]
此外，还可以利用光的波长信息以及利用光的传播方向和波长信息叠加，进行多个维度的操控。唐晋尧团队通过对纳米树进行不同染料敏化处理，纳米机器人对不同波段光的响应不同，可以同时实现对多个纳米机器人的操控。[36]

智能化技术

就智能化来说，唐晋尧团队从蚂蚁群、蜜蜂群等生物集群得到灵感，即单独个体无法存活，但是多数个体遵循简单的规则，集群在一起，形成智能化体系，实现集群智能化。通过在纳米机器人之间形成一定的化学通信，比如利用离子交换的化学反应，发生交互作用，进而实现集群共识。[36]

应用领域

生物医疗领域

纳米机器人在生物医疗领域，特别是在创新药物与药物递送、生物传感与体外诊断、纳米技术与基因工程等方面有广泛的应用。例如，mRNA疫苗使用的载体技术就是纳米载体技术，并在药物递送技术方面取得了可喜的进展。此外，也有专门用于治疗癌症的纳米机器人。例如，一种只有细胞的1/100大小的纳米机器人，可以用于在体内主动寻找肿瘤病灶处并进行治疗。在这方面，中国的研究也走在世界前列，并取得了多项重要的研究成果。[37]
纳米机器人可以被用来治疗疾病。例如，可以设计纳米机器人来携带药物或者切除癌细胞；此外，纳米机器人还可以被用于体内手术，甚至可以通过人体内部进行病灶的检测和治疗。[38]
移动微纳米机器人作为靶向治疗的工具，现已用于胃肠道、血管等组织的靶向给药。现已有许多初步研究证明，微纳米机器人在试管和体外环境中具备递送功能。Hortelao 等报道了尿素酶修饰的纳米机器人，该纳米机器人由介孔二氧化硅壳组成，能够装载抗癌药物到达指定地点后释放，从而做到高效给药。新型纳米机器人在多级磁性“镊子”的操控下，可以实现在活体细胞中精准活动。如图二所示。[39]
微纳米机器人另一个医疗用途是在体内进行微创手术。Chatzipirpiridis 等在活兔眼中进行实验，证明植入式磁性管状微纳米机器人能在眼睛的后段进行手术操作。[39]
医疗微/纳米机器人在临床中的一个关键应用是依靠个体或群体进行监测。它们可以容易地在体内定位和引导，甚至发送信号以诱导触发释放，因此在医学成像方面的潜力也不可忽视。例如，利用光学相干断层扫描成像在小鼠静脉中监测微型机器人的实时位置，反馈微型机器人在体内的运动。与以往的成像方法相比，光学相干断层扫描成像方法在实时成像、与梯度磁操纵系统的兼容性好、高成像分辨率和对身体的伤害小等方面显示出令人满意的效果。[39]
运用纳米机器人将活细胞直接输送到目标区域可以提高它们的保留率和存活率。针对有些精子细胞因缺陷活动力低或无法移动，Medina-Sánchez 等设计了金属涂层-聚合物微螺旋机器人来运输运动障碍的精子细胞，以帮助它们实现自然受精的功能。[39]

纳米机器人靶向治疗概念图

军事领域

世界各国的军备竞赛已经延伸到了纳米领域，各国都在探索利用纳米技术进行军事装备的升级与改造。多国已经开展了有关纳米机器人在军事应用的探索，主要体现在以下几个方面：
1.用于传统的武器中纳米机器人用于传统的武器技术装备，能够改善装备材料、工艺、控制系统、制导系统、运输和储存方式，提高传统武器技术装备的技术性能，使作战装备的杀伤效能得到有效提高。[39]
2.用于开发断的人体作手役和方式特殊的纳米微型组件能够堵住人体某个部位（如脸、鼻、口，眼）或粘住手、脚等。利用其这一特性，可以限制敌军的活动。[39]
3.研制纳米武器是纳米机器人在军事应用上的另一个研究热点，如果将具有纳米武器注人到人造或杂交的昆虫体内，昆虫便将这些纳米武器传播到敌国军民的身体中，造成巨大的杀伤力。同时，纳米机器人还可通过自我复制或自我繁殖的方法迅速在敌方阵营中扩散。随着纳米武器的诞生和大量运用，传统的作战方式不断更新，纳米技术水平的高低对战争的胜负影响越来越大。[39]
4.通过仿生学技术赋予纳米机器人昆虫、鸟类等小型动物的能力或多物种混合能力，不仅充当侦察与情报收集工具，而且可以作为防不胜防的进攻利器。[39]

在二维物体表面行走的纳米蜘蛛机器人(艺术图)
纳米机器人在军事领域主要有以下几种类型：

能源领域

纳米机器人可以被用来开发更高效的太阳能电池和更先进的储能技术。此外，纳米机器人还可以被用来提高化石燃料的开采效率和减少能源的消耗。[38]

高效太阳能纳米机器人

工业领域

在工业领域，纳米机器人被用于制作微米级以及纳米级芯片，从而减少电子产品的体积，不仅使电子产品变得更微小，而且由于新材料的应用使产品具备自愈或者自修复功能。让人窥见未来类人机器人的巨大可能性。[39]

微米级芯片概念图

海洋环境领域

纳米机器人可以被用来清理海洋污染和处理污水。此外，纳米机器人还可以被用来监测和控制环境污染。[38]
在环保领域，治污防污纳米机器人被大批量投放到污染环境中，通过传感器和设定的清洁程序分解污染源，有效解决水、气污染问题。[39]

纳米机器人应用于环境科学概念图

材料科学领域

纳米机器人可以被用来制造纳米结构材料，如纳米管、纳米线、纳米颗粒等，以及进行材料表面处理和化学反应等。[38]

碳纳米管

计算机领域

纳米机器人可以被用来制造超级计算机、量子计算机等。[38]

纳米机器人计算机领域
新科技是把双刃剑：有益的科技行 为可以造福人类；反之，则为祸。纳米机 器人也不例外。因此，美、英、德、以、日 等国都着手从伦理、法律和社会的角度 来研究纳米机器人的风险和安全性问 题。如何让纳米机器人这把双刃剑有利 于人类的一面更加锐利，而使其消极的 一面对人类的伤害逐渐减少，这是需要 深入思考的问题。[40]
关于纳米机器人未来发展前景，中 国著名学者周海中在“论机器人”（1991 年获第6 届国际机器人学优秀论文奖）一 文中预言：到21 世纪中叶，纳米机器人将 彻底改变人类的工作和生活方式。美国 著名学者James Canton 也预言：到了 21 世纪下半叶，将人同计算机绝对而清 楚地区分开来将变得毫无意义。一方 面，人类将拥有经过纳米机器人技术大 大扩展了的生物大脑；另一方面，人们将 拥有纯粹的非生物大脑，它是功能大大 增强了的人类大脑的复制品。毫无疑 问，有了经过功能改善的大脑，我们将创 造出无数与纳米机器人技术相融合的更 新技术。届时，人类将进入一个崭新的 时代——纳米机器人时代，成为地道的 “新人类”。[40]
纳米机器人作为一种微型机器人，具有极高的灵敏度和精确度，已经在医疗、工业自动化、环境监测、家庭机器人、汽车、法医鉴定等领域获得了广泛的应用前景。然而，纳米机器人技术的研发和应用也存在一些风险和挑战。
1. 技术风险：纳米机器人的制造和控制技术仍然处于发展阶段，需要精确的纳米技术设备，制造和生产成本较高。如果不能有效控制和操作纳米机器人，可能会导致灾难性的后果。此外，纳米机器人可能在人体内或环境中发生故障或被滥用，从而对人体健康和环境产生不利影响。[41][42]
2. 法律风险：纳米机器人的操作和应用需要得到法律的认可和监管，否则可能会引发一些道德伦理和法律问题。例如，纳米机器人可能被用于非法监控和攻击，或者对个人隐私和人权造成侵犯。[43]
3. 社会风险：纳米机器人的广泛应用可能会对社会产生深远影响，如加剧就业市场的竞争和降低部分岗位的需求，甚至引发社会不平等问题[44][45][46]。
尽管存在这些风险和挑战，纳米机器人技术的发展前景依然广阔。通过不断的研发和创新，科学家们有望解决纳米机器人的安全和稳定性问题，实现智能化的药物输送和个性化治疗，从而提高其在医疗领域的应用价值。同时，纳米机器人也可以应用于外星生物探索等领域，拓展人类的视野和认知。[47][45]

研究进展

纳米机器人，外形仿照大肠杆菌。科学家将在2015年进行临床试验。纳米技术研究领域的科学家积极探索这项技术在其他方面的应用，例如水处理或者环境治理。将来可能会操控数百万个纳米机器人，让它们穿过被污染的水域，寻找和处理污染物而后将它们收集在一起。[48]
在治疗心脏病时，纳米机器人将穿过一根直径2到3毫米的导管，进入需要治疗的特定部位。这种导管技术也可用于大脑以及其他部位，例如肠道和尿道。进入这些部位的最大难度就是一定要达到极高的精确度。出于这个原因，纳米技术长久以来一直被誉为未来对抗癌症的最理想武器。[48]
纳米机器人在绝对无尘室制造，防止它们感染细菌。这种制造方式在很大程度上与电脑芯片类似。尼尔森指出这一次的成功测试给了他们很大鼓励，促使他们探索纳米机器人的其他应用，例如治疗心脏病。[48][49]
科学家在极为脆弱的环境下对纳米机器人进行活体测试，这个极为脆弱的环境便是眼睛。测试中，它们穿过玻璃体——充满视网膜与晶体之间眼球的无色透明胶状物质——将药物送入视网膜，治疗与衰老有关的疾病，例如黄斑变性。黄斑变性可导致失明。[48]
2021年中国科学家在内的国际团队研发出一种比发丝直径还小的“微型千纸鹤”，在电压的作用下，不到一秒就可以自动从平面折叠完成。作为一种大小只有几十微米的新型微型驱动器，这种充满想象力的千纸鹤是微纳米机器人研发领域的又一突破，有助于未来在微纳米水平上完成复杂而精细的工作。[50]

《生物化学与生物物理进展》封面刊载沈阳自动化所成果
2022年中国生命科学领域知名SCI期刊《生物化学与生物物理进展》(2022, 49(2): 420-430)以封面文章的形式发表了中国科学院沈阳自动化所微纳米自动化课题组利用微纳操作机器人在单细胞力学特性探测方面的最新研究成果(Combining micropipette and atomic force microscopy for single-cell drug delivery and simultaneous cell mechanics measurement)。该论文针对单细胞精准药物激励和力学特性同步检测难题，将原子力显微镜(AFM)技术和玻璃微针技术结合，提出了可对单个细胞进行超微量药物递送及力学特性同步测量的方法。将微针显微注射技术与AFM技术相结合，实现了单细胞可靠化学激励及细胞力学特性同步测量，在此基础上分析了化疗药物分子对单个细胞力学特性的实时影响。研究结果为细胞-药物之间相互作用的精准定量原位动态分析提供了新的方法和思路，对于生命科学领域具有广泛的基础意义。[51]
2022年6月29日消息，中国科学院合肥物质科学研究院杨良保研究员课题组与安徽大学等机构合作，构建出了可非线性云集“围攻”生物靶标分子的智能DNA分子纳米机器人模型。有关论文发表于纳米材料领域顶级期刊《纳米视野》。[52]
2022年8月2日，据中国新闻网消息，法国国家健康与医学研究院（Inserm）、国家科学研究中心和蒙彼利埃大学的科学家们用DNA建造一个微型机器人，这种高度创新的“纳米机器人”能够更密切地研究在微观水平上施加的机械力。[53]
2023年医学与健康学院贺强、吴英杰团队在仿生超分子胶体马达研究方向取得最新进展，提出了纳米尺度旋转生物分子马达协同驱动细胞尺度超分子胶体马达的构筑新方法。研究成果以《旋转生物分子马达驱动的超分子胶体马达》（Rotary Biomolecular Motor-powered Supramolecular Colloidal Motor）为题发表在《科学进展》（Science Advances）上。该研究创新性地以纳米尺度的旋转生物分子马达ATP合酶作为动力部件，驱动细胞尺度的超分子胶体马达，实现了仿生体系生物安全的能量转换和自主运动能力。[54]
2023年3月6日，GIST韩国光州科学技术院宣布，融合技术与跨学科研究系Jeongwon Yoon教授（大脑纳米机器人研究中心主任）领导的研究团队成功开发出“载药用于治疗脑部疾病的微纳机器人导航系统”技术。[55]

标准规范

纳米机器人标准规范是指一系列指导纳米机器人研发和应用的技术和法规要求。这些规范旨在确保纳米机器人的安全性、可靠性和有效性，从而促进纳米机器人在医疗、工业、环境、军事等领域的广泛应用。
具体的标准规范包括：
1. 机器人标准：纳米机器人应符合一般机器人的标准，如机器视觉、运动控制等，以确保其能够执行任务并达到预期的效果。[56][57]
2. 安全性标准：纳米机器人在研发和应用过程中需要严格遵守安全标准，以确保其不会对人类健康和环境造成危害。比如，纳米机器人在治疗癌症等疾病时，应该具备足够的安全性，避免对人体产生不良影响。[58][59]
3. 可靠性标准：纳米机器人需要在长期使用中保持稳定和可靠性，以确保其能够可靠地执行任务。比如，纳米机器人在处理环境中的有害物质时，需要保持长期稳定性和可靠性。[60][61][62]
4. 应用规范：纳米机器人的应用领域非常广泛，例如癌症治疗、药物传递、组织修复等。因此，需要制定相应的应用规范，确保纳米机器人在不同领域的应用能够达到预期的效果。[63][64][65]

相关政策

纳米机器人技术是一项新兴的技术，其在医疗、生物、环保等领域具有巨大的应用潜力。然而，由于纳米机器人的制造和操作仍面临着技术和伦理的挑战，政策方面也需要考虑到其可能带来的风险和伦理问题。[66][67][68]
一方面，国家对于纳米机器人的扶持政策包括加大科研投入、鼓励企业创新、制定法律法规和加强市场监管等。具体来说，政府可以在政策制定方面采取一系列举措，以推动纳米机器人行业发展并规范其应用。[69][39]
另一方面，国家也需要对纳米机器人的技术应用进行限制和要求。例如，对于纳米机器人在癌症治疗领域的应用，虽然已经取得了一系列突破，但实际应用仍需进一步验证和探索，因此，政策方面需要对其安全性和有效性进行严格的评估和监督。[39]
此外，为了进一步推动纳米机器人技术在各领域的应用，政策方面也需要进行相应的规划和布局。例如，政府可以通过政策的制定和实施，促进纳米机器人行业的快速发展，进一步推动中国在纳米机器人领域的领先地位。[70][71][72]