纳米机器人：未来的体内医生？
2014-10-20 07:07:59   来源：微迷   评论：0   点击：

你持续发烧，但医生既没有给你开药，也没有打针，而是提供了一种特别的医疗方式——往血液里植入一种微小的机器人。这种机器人探测到发烧原因，摇曳着一对尾巴状的附加物，游过了动脉和静脉，运行到适当的系统，直接对感染部位进行治疗。

这听起来像是科幻小说。但一个好消息是，可能不久之后，这种新型机器人就能应用于实际的医疗程序中。全球的工程师们正致力于设计这种“纳米机器人”，并最终用于治疗从血友病到癌症的所有疾病。

有时候，小比大好

1959年，美国加利福尼亚理工学院教授理查德·费曼向全世界的工程师发出了挑战。他寄希望于有人设计出一种超小电动机，能放入边长0.4毫米的立方体中。这样，工程师们能够开发出新的生产方法，用于新兴的纳米机器人领域。

翌年，比尔·麦克里兰制造出了合乎规格的发动机，要求获得奖励。虽然麦克里兰并未能设计出新的生产方法，费曼还是奖励了他。

挑战是艰巨的。人类的血液循环系统由静脉和动脉构成，极端复杂，一个可行的纳米机器人必须又小又灵活，才能在里面畅通无阻。同时，还要携带药物治疗或微型工具。假设纳米机器人并非永远留在病人体内，它还必须找到出口。

在面临的所有问题中，导航机制是科学家们尤为重点考虑的。关于导航的各种研究方案都包含了积极和消极两面，研究者的目光集中在两处：外部系统和机载系统。

外部导航系统将纳米机器人定位到正确位置的方法有很多，其中一种是向患者体内发送超声波信号，以检测纳米机器人的位置，并指引它去目的地。其他探测纳米机器人的方法包括放射性染料、X射线、无线电波或热量等。机载系统又叫内部传感器。一个带有化学传感器的纳米机器人可以探测并根据特定的化学品追踪，找到正确的位置；而带有光谱传感器的纳米机器人则能够从周围的组织上采样，对样本进行分析，找到正确组合化学品的方法。

引擎何来？

和导航系统一样，纳米技术专家们也需要从内外两方面来考虑为机器人提供动力。一些设计使得纳米机器人能够利用患者身体来产生所需动力；另一些则让机器人自带动力发生装置；此外，还有一些设计则选择在患者体外，为机器人提供动力。

纳米机器人可以直接从血流获取能量——一个配有电极的纳米机器人利用血液中的电解液就可以变身为一节电池。此外还可以通过化学物和血液的燃烧反应产生能量。纳米机器人可以携带少量化学物，这些化学物与血液结合，就能变成一种燃料。

人的体温也可以产生能量，这就是所谓的“塞贝克效应”，但这种方式需要有温差才能实现。将两种不同的电导体在不同的温度下相互连接时，电导体会变成热电偶，这两种物质之间会因温度不同而产生电压差，从而产生能量。但真实情况是，要想在人体内形成温差十分困难，这也只能暂时成为假想。

尽管制造一种小到足以放进纳米机器人体内的电池是有可能的，但这种方式也不太被看好。因为电池所能提供的能量和其本身的体积及重量有关，一个很小的电池不足以保证纳米机器人所需的全部能量。另一种选择是利用核能，无疑这种想法让很多人感到不安——虽然这种情况下的核物质所需很少，并且一些专家认为，其安全性容易得到保证，然而，公众对于核能的固有偏见，让这种方式最不可能被采用。

让我们来看看外部功能系统。可以通过一根线，将纳米机器人和外部世界的能量源相连。这根线既要很牢固，又要保证在人体内可以自由移动，且不会对其造成伤害。这种物理意义上的连接线可以通过电能或者光能为机器人提供能量。光学系统利用光纤的光，再转化成机器人内部的电能。

如果不使用有形的连接线，则可以利用微波、超声波信号以及磁场。微波最不可行，因为患者的身体会吸收微波，使体温提高，从而损害组织。带有压电膜的纳米机器人可以收集超声波信号，并转换成电流。利用磁场系统，可以或者直接操控纳米机器人，或者以之引导机器人内封闭电路里的电流。

在血液中自由驰骋

如果纳米机器人不被设定为随血液流动而流动，那么它就需要有一种动力使其在人体中移动。

有时，纳米机器人需要逆血液流动方向移动，因此动力系统必须足够强劲，并因其大小而异。另一个必须要考虑的因素是机器人的设计要保证患者安全，移动系统不能给病人造成任何伤害。

一些科学家正在研究微生物体系，希望能从中得到灵感。比如大肠杆菌，通过舞动尾巴一样的鞭毛，可以向任意方向自由移动。类似的还有纤毛，靠划动纤毛，草履虫可以在水中自由驰骋。

以色列科学家发明了一种微型机器人，只有几毫米大小。这种机器人借助细小的附属肢体在血管中附着和移动。科学家们在病人的体外制造磁场来操控这些附属肢体的动作。磁场能使机器人的肢体振动，并且在血管中运动。

科学家们希望这种相对简化的设计能创造出更小的机器人。

其他发明听起来更加不可思议。人们可以利用电容器来产生磁场，使导电液体从电磁泵的一头喷射到另一头。这种情况下纳米机器人的移动看起来就像一架喷气式飞机。小型的喷气泵甚至可以利用血浆来移动纳米机器人，当然这种泵和电磁泵不太一样，它必须是可移动的。

还有一种纳米机器人移动的方式是通过振动膜。通过膜的交替收缩和扩张，纳米机器人可以产生微弱的动力。对于纳米机器人来说，这种微小的动力已经足够使其移动。

未来的体内医生

按照设想，这些通过显微镜才能看到的纳米机器人，将能够治疗很多疾病。

虽然只能携带很小剂量的药品或小型设备，但很多医生和工程师认为，精确地使用这些工具将比多数传统治疗方法更加有效。比如，很多人都知道，由于抗生素在病人的血液里流动时会被稀释，只有一部分能到达感染的部位，因此，为提高患者免疫能力，医生需要为患者注射大剂量抗生素，不可避免地带来副作用的困扰。然而，纳米机器人（或一组纳米机器人）可以直接前往感染部位，提供小剂量却有效的药物治疗，相应减少药物的副作用。

有些工程师、科学家以及医生认为，纳米机器人的应用有着无限潜力——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、治疗痛风和粉碎肾结石。以治疗肾结石为例，纳米机器人可以携带小型超声波信号发生器，通过直接发射频率粉碎肾结石。

正因此，世界各国的科研小组一直不断致力于研制第一代医用纳米机器人。这些机器人小到直径1毫米，大到长2厘米，但目前都处于试验阶段。未来几年内，纳米机器人将可能带来一场医学革命。医生可以利用细菌般大小的机器人来治疗从心脏病到癌症的各种疾病，那些机器人将比目前这些要小得多。这些机器人可以单独或者成组地工作，来根除疾病或处理其他状况。有人相信，未来会出现一种半自动的纳米机器人，通过植入人体，定期为人检查身体，以应对一些突发疾病。和此前那些应急治疗不同，这种机器人将永远留在病人体内。

纳米机器人技术的另一项应用潜能是，它可以再造人类的身体，使其百病不侵，增强人类体能，甚至提高人类的智商。这听上去很熟悉，不是吗？争议不断的干细胞和克隆技术正是同一思路。理查德·汤普森博士过去是一位伦理学教授，曾撰文讨论纳米技术的伦理寓意。他认为最重要的工具是传播，社区、医疗组织以及政府必须趁纳米工业尚处于起步阶段，而深入研究其可能带来的影响，这一点十分关键。

会有那么一天，成千上万的微型机器人在我们的血脉中穿梭，为我们调整机能、治疗伤口、淤青甚至疾病吗？有了纳米技术，这一天看上去并不遥远。