可注射的抗病毒纳米机器人会成为现实。
一、可注射的纳米机器人
我国在可注射的纳米机器人的研究中处于领先的地位,它能将 DNA分子编成“高铁车厢”,携带药物分子,在血液循环中呈球形,遇上肿瘤后会“变形”为锋利的刀刃,如“变形金刚”般刺入,能有效解决肿瘤组织致密、难以突破的难题。
二、纳米机器人的发展
纳米机器人是纳米生物领域最具吸引力的领域之一,它的发展共分为了三代。
第一代纳米机器人是一种将生物与机械结合起来的生物系统,植入到人体的血管中,用于医疗、健康检查等方面。它还可以用于修复人体的器官、整容手术、从基因中移除有害 DNA,或者在基因中植入普通 DNA,从而让身体保持健康。
第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置,这也是我国正处于的阶段,第三代纳米机器人将包含有纳米计算机,是一种可以进行人机对话的装置。
三、我国的研究成果
中国科学院沈阳自动化所自主研发出一种可以实现纳米级工作的机器人原型,并顺利地通过了“863”自动化领域的专家评审。
在一次展示中,沈阳自动化研究所的研究员们操控着一台微型纳米机器人,将3个英文字母“SIA”(沈阳自动化所简称)刻在一块1x2微米的硅基上;另外一个例子是,在一个5x5微米的硅衬底上,操作员把一根直径为4微米、直径100纳米的纳米管精确地放入刻痕中。
这意味着通过纳米技术制造出来的微型机器人,也可以在微观世界中,实现人类无法做到的事情。
“纳米机器人”是机器人工程学的一种新兴科技,纳米机器人的研制属于“分子纳米技术(Molecular nanotechnology,简称MNT)”的范畴,它根据分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。
纳米机器人的设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计,开发“在体”或“湿”的生物计算机或细胞机器人,从而产生了另种方式的纳米机器人技术。
1959年率先提出纳米技术的设想是诺贝尔奖得主理论物理学家理查德·费曼。他率先提出利用微型机器人治病的想法。用他的话说,就是“吞下外科医生”。理查德 · 费恩曼在一次题为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出:将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器,可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质,这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。从分子和原子着手改变和组织分子是化学家和生物学家意欲到达的目标。这将使生产程序变得非常简单,只需将获取到的大量的分子进行重新组合就可形成有用的物体。
在1959年的演讲《在底部有很多空间》中,他提出纳米技术这一想法。虽然没有使用“纳米”这个词,但他实际上阐述了纳米技术的基本概念。 [1]
1990年, 我国著名学者周海中教授在《论机器人》一文中预言:到二十一世纪中叶,纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。
2010年7月1日,美国密西西比州的湾港,墨西哥湾“深水地平线”号的漏油被冲上海岸。在应对漏油事故等环境灾难方面,纳米机器人的效率远远超过传统方式。 [1]
学术设想
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纳米生物学的设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下4个方面:
在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。
在纳米尺度上获得生命信息,例如,利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。
纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容,第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体,这种纳米机器人可注入人体血管内,进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA,或把正常的DNA安装在基因中,使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置,第三代纳米机器人将包含有纳米计算机,是一种可以进行人机对话的装置。
纳米尺度调整杀死变异的癌变细胞,通过外部激光器指引,精确计算找到出辐射超标的癌变细胞,利用先进的生物细胞溶解技术将可能病变的细胞溶解成化学分子元素,并通过特定传感器系统精确的核查后,将细胞组分成功进入健康细胞中,完成坏死细胞与成功健康细胞的转换。 [2]
技术原理
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纳米生物学的产生是与SPM的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的事情。不同于宏观生物学,纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。 纳米生物学的加工技术可以向生物细胞学习。
事实上,每一个细胞都是一个活生生的纳米技术应用的实例:细胞不仅将燃料转化为能量,而且按照储存在DNA中的信息来建造和激活蛋白质和酶,通过对不同物种的DNA进行重组,基因工程家已经学会建造新的这类纳米工具,例如用细菌细胞来生产医用激素。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微观世界行走的纳米机器人,有望用于清除有害物质、修复损坏基因、激活细胞能量、维护人体健康和延长人类寿命。医用纳米机器人还处在试验阶段。 [3]
应用领域
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纳米技术的大胆应用设想还包括:利用纳米机器将获取的碳原子逐个组织起来,变成精美的金刚石;将二氧化物分子重新分解为原来的组成部分;在人血中放入纳米巡航工具,它能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇,然后将它们一一分解;将来纳米机器能够把草地上剪下来的草变成面包……在完全意义上讲,世上每一个现实存在的物体无论是电脑还是奶酪都是由分子组成的;
在理论上,纳米机器可以构建所有的物体。
纳米机器人结构示意图
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当然从理论到真正实现应用是不能等同的,但纳米机械专家已经表明,实现纳米技术的应用是可行的。在扫描隧道显微镜帮助下,纳米机械专家已经能将独立的原子安排成自然界从未有的结构。此外,纳米机械专家还设计出了只由几个分子组成的微小齿轮和马达。(切勿将这些齿轮和马达与那些由数以百万计分子组成的用传统技术构建的微小齿轮和马达相混淆,这些机器同未来制造的机器相比较实在是太巨大了)。
25年内,纳米技术学家期望实现这些存在于科学陈列室中的想法,创造出真实的、可以工作的纳米机器。这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种分子;有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作。“手指”可能由碳纳米管制造,它的强度是钢的100倍,细度是头发丝的五万分之一。“电脑”可能由碳纳米管制造,这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线。“电脑”也可能由DNA制造,用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人可以构建任何物质。
纳米机器人执行任何任务,包括自身复制,都必须动用大量的纳米机器。血液里可能存在数以百万计的纳米机器人;在每一个有毒废物地点可能需要数以万亿计的纳米机器人,要制造一辆汽车可能要调动数以100亿亿计的纳米机器人同时工作。然而,没有一个生产线能生产如此巨大数量的纳米机器人。
但是,纳米科学家眼中的纳米机器可以做到这点。他们设计的纳米机器人可以完成两件事:执行它们的主要任务和制造出它们自身完美的复制体。如果第一个纳米机器人能够制造出两个复制体,这两个复制体每个又可制造出两个自己的复制体,很快就可以获得数万亿个纳米机器人。
但是,假如纳米机器人忘记停止复制,会发生什么?如果没有一些内建的停止信号,纳米机器人忘记停止复制,这种灾难的可能后果将会是无法计算的。纳米机器人在人体内快速复制,能够比癌症扩散还要快地布满正常组织;一个发疯的制造食物机器人能够把地球的整个生物圈变成一块巨大的奶酪。
纳米技术学家没有回避危险,但是他们相信他们能控制灾难的发生。其中一个办法是设计出一种软件程序使纳米机器人在复制数代后自我摧毁。另一种办法是设计出一种只在特定条件下复制的机器人,例如只有在有毒化学物质以较高浓度出现时机器人才能复制,或者在一个很窄的温度和湿度范围内机器人才能复制。
就像电脑病毒的传播一样,所有以上这些努力都无法阻止那些不怀好意的人有意释放某种纳米机器人作为害人武器。事实上,一些批评家指出纳米技术可能的危险要大于它的益处。然而,仅仅这些利益就已经太具诱惑力了,纳米技术必将超过电子计算机和基因制药而成为新世纪的技术发展方向。世界可能会需要一个纳米技术免疫系统,这个系统中纳米机器人警察不断地在微观世界中同那些不怀好意的机器人进行战斗。
中国应用
中国人也可以像摆棋子一样摆弄原子了。记者从中科院获悉,一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机由中国科学院沈阳自动化所研制成功,并通过了国家“863”自动化领域智能机器人专家组的验收。 在一个演示中,沈阳自动化所的研究人员操纵“纳米微操作机器人”,在一块硅基片上1×2微米的区域上清晰刻出“SIA”3个英文字母(沈阳自动化所的缩写);另一个演示显示,在一个5×5微米的硅基片上,操作者将一个4微米长、100纳米粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。
纳米微操作机器人在10×10微米的基片上刻出的字样
测试显示,在刻画操作中,这台纳米微操作机器人在512个像素宽度的显示区域里,重复定位误差小于5个像素,精度达1%以上;在移动纳米碳管的操作中,重复定位精度达到30纳米;而在基于路标的定位测试中,其定位误差小于4纳米。 专家解释,1纳米是10^-9米,大约等于10个氩原子并列成一条直线的长度。在纳米尺度上的操作,被称为“纳米微操作”,是纳米技术的重要内容,其目的是在纳米尺度上按人的意愿对纳米材料实现移动、整形、刻画以及装配等工作。纳米微操作始于20世纪80年代,IBM的科学家1989年利用扫描式隧道显微镜(STM)操作35个氙原子在镍金属表面拼出I-B-M三个字母,成为轰动世界的新闻,开了纳米微操作先河。从此,纳米操作技术作为一个重要的战略发展方向吸引各国竞相展开研究。 该项目研究人员介绍,这台机器人系统在纳米尺度下的系统建模方法、三维纳观力获取与感知及误差分析与补偿方面有很多突破与创新,都达到世界先进水平。 据介绍,这种纳米微操作机器人可广泛应用于纳米科学实验研究、生物工程与医学实验研究、微纳米科研教学等领域。如生物学研究领域中,使用纳米微操作机器人可完成对细胞染色体的切割操作;也可在DNA或分子水平上进行生化检测及病理、生理测试实验研究。此外这种机器人在IC工业中纳米器件的装配与加工方面也有良好的应用前景,如可以利用它操作纳米微粒,装配微/纳米电子器件,甚至复杂的纳米电路。这意味着,未来利用纳米电路制成的电脑和家用电器,可以“想要它有多小,就能做多小”,甚至可以“塞进牙缝”;而未来利用纳米操作技术制作的微型机器人,也可以钻入人体替病人疏通血管,或在肉眼看不见的微观世界里,完成人们自己不可能完成的任务。
国外应用
在美国科幻大片《惊异大奇航》中,科学家把变小的人和飞船注射进人体,让这些缩小的“参观者”直接观看到人体各个器官的组织和运行情况。然而在现实中,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。
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 [4] 。
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。
第五届数字中国建设峰会开幕,未来的数字生活是这样的。
一、第五届数字中国建设峰会开幕
国家网信办,国家发展改革委,科技部,工业和信息化部,国务院国资委,福建省人民政府共同举办的第五届数字中国建设峰会在福州顺利开幕。
本次“数字中国”建设成果展共有12个板块,展示了世界上最先进的数字化转型,展示了大数据中心,5 G网络,算力网络,遥感卫星,工业互联网平台等最新技术。
二、无人汽车进入未来数字生活
未来的无人汽车的内部空间很大,视野也很好,最特别的是它没有了常规的驾驶座。这款汽车不仅仅是具备周边360度环境感知能力,还具备语音交互功能和超级巡航、自主避障、自主换道、自主超车、自主泊车等功能。
三、AI新零售店
AI新零售商店对消费者的购物模式进行了重新定义,实现了高度数字化、智能化、无需人工收银的智能超市,为消费者提供了一种“即拿即走,无感支付”的全新购物体验。由于只是记录的是行动,而不是面部,因此也不用担心隐私被泄露。
四、微纳机器人
微纳机器人是一种可以执行纳米尺度任务的机器人,具体来说可以实现驱动、传感、抓取、信息处理等功能。
微纳机器人虽然只是微米纳米尺度的微小机器人,但却有着治病救人的潜在能力,目前国内的研究进展比较迅速,在临床上,与欧美等发达国家类似,已经开始了小白鼠的实验,未来微纳机器人的一个重要发展方向是治疗各类实体肿瘤。
微纳机器人要进入临床应用尚需一段时间,微纳机器人有望在五年之内率先进入大型动物临床试验。
日本在打造出了一个4足机器人之后,也引发了全社会的关注,而这款机器人还能够承载4个成年人,外形跟大象有一些类似。在了解了相关信息之后,也可以看得出来这个机器人比较适合放在游乐园当中或者是展览会上,在观赏的过程中也是能够感受到满满的科技感,如果想要运用到其他领域的话,在技术水平方面也是需要再次进行提升的。这款机器人可以进行有线操控,也能够使用无线操控。在乘坐这个机器人的过程中,也是能够保证乘坐人员安全的,研发人员也表示在后续也会选择提高这个4足机器人在行走过程中的速度。
在体验了这个机器人之后,也觉得有一些像骆驼或者是大象在行走的时候表现的很平稳,并且还可以展现出一些基础的动作,比如转圈等。其实在很多大城市当中也是能够看到一些智能机器人的,但是像这样能够载着人行走的机器人也是第1次看到。很多人群也都希望这款机器人能够尽早出现在游乐园当中,并想要向前体验一把。
通过图片也可以看得出来,这个机器人在体型方面是很庞大的,重量也是达到了两吨,主要是由电池运行的。这个公司之所以会选择研发这个可以载人的机器人,也是为了能够让生活更加便利,虽然目前只能够出现在一些领域,但是相信在技术得到了全面的发展之后,肯定也是可以出现在其他领域的。
毕竟在AI智能行业当中,也是需要掌握成熟的技术才能够发挥更大的作用,这些技术的成熟也能够让机器人变得更加全面了。相信在不久的将来,也会有更多的智能机器人为人类服务,这也只是科技发展的基础。
纳米机器史诗级《划时代》《科学技术革命》在《纳米机器人》中加入了许多名字,究竟有多少点是真实的,有多少点是奇怪的? 现实和科幻有多大的差距?没错,就是这么神奇。为了回答这些疑问,今天就来谈谈纳米级机器人的“真面目”吧!
关于纳米机器人,最初从“尺寸”的观点出发定义为“0.1微米~10微米以内的微机器”。之后,科学家们扩展了这一概念,从“功能性”中将纳米机器人定义为“操作纳米级物体的机器”。无论如何定义,制造纳米机器人是一项非常困难的任务。首先,需要小零件,可能只有头发直径的千分之一。
2016年,诺贝尔化学奖颁发给了从事“设计分子机械”的3位学者。 他们的主要工作是利用化学合成法,制作出许多开关、泵、轴等分子级的零件化学方法可以合成一系列分子级部件:典型的纳米开关图像,通过改变pH值可以控制特定分子的迁移 。
还有用于制造纳米部件的硬件技术。光刻技术主要用于芯片的制造,是一种能够实现人类掌握的少数纳米级精度的加工技术。 美国加利福尼亚理工学院的科学家可以利用光刻技术,制作出分辨率为25纳米~100纳米的复杂三维金属几何图形。 2019年,美国劳伦斯利弗莫尔国立研究所的科学家开发了“飞秒投影双光子光刻”技术,传统技术的加工速度可以提高1000倍,仅8分20秒就能印刷出芝麻大小的纳米结构,加工精度保持在纳米水平。
化学法和光刻法也制作了纳米部件,但是这些部件还需要组装到机器人上。 如何实现微尺度的组装,是“纳米机器人”研究的另一个难关。1980年代,人们实现了单原子的控制。 2005年,中国科学院成功地将4微米长、100纳米粗的碳纳米管移动到了正确的沟槽中。 但是,如何大规模地进行纳米组件是个问题。2015年,法国国立科学院的研究小组通过超分子键结合了数千个纳米机器,各个纳米机器成功发生了约1纳米的直线伸缩运动。 积累很多,这几万个小纳米机器的运动可以合并,像肌肉组织一样发生10微米的收缩扩张。
尽管如此,这些研究只是实现了“纳米部件”的简单集成,想要组装电影中针尖般的万能机器,人类还是要走很多道路。如何驱动纳米机器人?科学家们也想引起对纳米机器的关注。 他们同国际汽车联盟缔结合作协定推动纳米车大会的发展。 对于“纳米机器人”,现在看到的产品非常简单,但一部分只能说是“纳米的小零件”。 将来的某一天,生病的你可能会来医院,给医生开处方写上“注射5毫升的纳米机器人,喝开水吧”。