王玉山，孫 雪

（東北林業(yè)大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

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淺談納米機(jī)器人的特點(diǎn)分析和應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展前景

王玉山，孫 雪

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

摘 要：主要介紹國(guó)內(nèi)外納米機(jī)器人的特點(diǎn)和納米機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)所在。通過(guò)分析其使用特點(diǎn)來(lái)了解納米機(jī)器人所實(shí)現(xiàn)的功能。分析了現(xiàn)在納米機(jī)器人市場(chǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景，說(shuō)明納米機(jī)器人已經(jīng)逐步走進(jìn)人們的視野，納米機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用指日可待。

關(guān)鍵詞：納米機(jī)器人；優(yōu)勢(shì)；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展前景

0　引言

當(dāng)今時(shí)代，科學(xué)技術(shù)日新月異，越來(lái)越多高精技術(shù)走進(jìn)人們的視野。其中在微機(jī)電系統(tǒng)中有一類很重要的發(fā)明——納米機(jī)器人?？茖W(xué)家通過(guò)種種技術(shù)手段將智能機(jī)器人制成納米級(jí)尺寸的機(jī)器人來(lái)進(jìn)行各種功能操作，其中在醫(yī)學(xué)方面，納米機(jī)器人在測(cè)試階段就已經(jīng)發(fā)揮其應(yīng)有的功能。通過(guò)納米機(jī)器人攜帶藥物和微型手術(shù)刀可以有效治療各種癥狀。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中也可以使用納米機(jī)器人進(jìn)入敵人身體擴(kuò)散導(dǎo)致其死亡。近年來(lái)隨著中國(guó)制造2025計(jì)劃的推進(jìn)，作為機(jī)械新時(shí)代的產(chǎn)物，新型機(jī)器人——納米機(jī)器人有著更好的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。

1　納米機(jī)器人的特點(diǎn)分析

1.1納米機(jī)器人的概念

納米機(jī)器人屬于分子仿生學(xué)的范圍，以分子水平的生物學(xué)原理作為設(shè)計(jì)原型，在納米空間制作微型機(jī)器人。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，納米機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)逐漸從各個(gè)方面體現(xiàn)出來(lái)。納米機(jī)器人應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、人民生活方面逐漸趨于實(shí)用化［1］。

1.2納米機(jī)器人設(shè)計(jì)分析

納米機(jī)器人的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于其微小，所以普通的制造方法是行不通的。我們需要能操作納米尺度的“手術(shù)刀”和可供“手術(shù)刀”操作的工作臺(tái)。我國(guó)中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制出了一臺(tái)“納米微操作”的機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)，通過(guò)這個(gè)機(jī)器人我們可以實(shí)現(xiàn)在納米尺度上的操作，并且該機(jī)器人的重復(fù)定位精度很高，達(dá)到了30nm。在醫(yī)療方面，該機(jī)器人也實(shí)現(xiàn)了很多重大改進(jìn)和突破，從而實(shí)現(xiàn)在人體內(nèi)對(duì)細(xì)胞和染色體的切割操作，并且可以通過(guò)該機(jī)器人直接從分子角度對(duì)DNA鏈進(jìn)行檢查從而查出病理以及生病原因，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療上的重大突破，即精確定位病理及手術(shù)無(wú)需開(kāi)刀［2］。

納米機(jī)器人可以有許多構(gòu)造形式，其基本結(jié)構(gòu)是微型攝像機(jī)、有效載荷、電容器和用于游動(dòng)的尾巴。像許多機(jī)器人一樣，納米機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的功能決定了它的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)納米機(jī)器人都是根據(jù)仿生學(xué)的原理，模仿動(dòng)物或某些細(xì)胞的結(jié)構(gòu)制成的。比如說(shuō)，2010年5月，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)、加州理工學(xué)院等多數(shù)大學(xué)科學(xué)家組成的研究小組研制出一種由DNA構(gòu)成的納米蜘蛛機(jī)器人，這些機(jī)器人可以按照DNA的軌跡實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、移動(dòng)、轉(zhuǎn)向和停止等功能。這些納米蜘蛛機(jī)器人是通過(guò)程序控制的?？茖W(xué)家可以通過(guò)編程來(lái)辨別血管中的細(xì)胞是否存在癌細(xì)胞并且可以通過(guò)編程控制納米蜘蛛殺死癌細(xì)胞。納米蜘蛛的成功表明了人類可以通過(guò)納米蜘蛛在血管中殺死癌細(xì)胞［3］。

2　納米機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1國(guó)外納米機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外納米機(jī)器人大多采用了仿生學(xué)原理利用已知的生物或細(xì)胞結(jié)構(gòu)作為納米機(jī)器人的結(jié)構(gòu)骨架。現(xiàn)在機(jī)械技術(shù)正在逐步與生物技術(shù)融合，納米機(jī)器人很好地體現(xiàn)了這一點(diǎn)。各國(guó)科學(xué)家通過(guò)不懈努力研究出了納米齒輪、納米馬達(dá)等納米機(jī)械，如果將他們組裝起來(lái)則可以得到納米汽車(chē)，現(xiàn)在可能達(dá)不到這種程度，但其具有很高的軍事潛在開(kāi)發(fā)空間。

納米機(jī)器人的前提是分子馬達(dá)。美國(guó)和日本對(duì)分子馬達(dá)的研究均非?；馃?。其中美國(guó)康奈爾大學(xué)成功研制出了以ATP為能源物質(zhì)的分子馬達(dá)。其以金屬鎳作為齒輪，以高能分子三磷酸腺苷作為能源物質(zhì)，將該分子放入三磷酸腺苷溶液中以特殊酶促進(jìn)ATP釋放能量從而帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，形成分子馬達(dá)。日本的分子馬達(dá)由兩個(gè)卟啉分子夾著納米金屬離子，組成可以自由控制轉(zhuǎn)速的分子馬達(dá)。這是兩種不同類型的分子馬達(dá)，其中由三磷酸腺苷帶動(dòng)的分子馬達(dá)更具價(jià)值，動(dòng)力更足。它實(shí)現(xiàn)了金屬離子和自帶能量分子的結(jié)合，這是一個(gè)了不起的組合［4］。

2006年，日本東京大學(xué)的科學(xué)家成功將兩個(gè)分子機(jī)器人組裝在一起，形成一個(gè)分子機(jī)器復(fù)合件，這個(gè)復(fù)合體像一把“鉗子”一樣，紫外線和可見(jiàn)光能夠?yàn)檫@個(gè)超微型分子機(jī)器人提供動(dòng)力。該分子機(jī)器復(fù)合體受到不同光照射時(shí)會(huì)打開(kāi)和收攏，就像一把可以打開(kāi)、收攏的“鉗子”一樣，通過(guò)這兩種狀態(tài)，我們可以利用它殺死血管中的癌細(xì)胞。

德國(guó)研制出了一種自動(dòng)化程度很高的納米直升機(jī)，很具軍事價(jià)值，可以實(shí)現(xiàn)正常飛機(jī)的多種功能，可以巡邏、檢測(cè)及引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊敵方軍隊(duì)［5］。

為了防止雙向調(diào)壓井內(nèi)水過(guò)快排空，可考慮關(guān)閉系統(tǒng)尾閥，但尾閥關(guān)閉過(guò)快，將導(dǎo)致尾閥進(jìn)口產(chǎn)生較大的關(guān)閥水擊壓力，而且管線末端將出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，所以擬在事故停泵后，兩階段關(guān)閉尾閥。閥門(mén)特性曲線選用等百分比特性曲線。事故停泵30秒后開(kāi)始動(dòng)作，30～90 秒關(guān)閉 70%，90～390秒全部關(guān)閉。事故停泵后，泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律仍為兩階段關(guān)閥：0～11.7秒關(guān)80%，11.7～90秒全部關(guān)閉。

2.2OMOM納米膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)

OMOM膠囊內(nèi)鏡全稱為“OMOM膠囊消化道內(nèi)鏡系統(tǒng)”，它具有無(wú)痛苦，無(wú)創(chuàng)傷，檢查方便等特點(diǎn)，由我國(guó)重慶某科技公司自主研發(fā)，是Given Imaging 公司之后世界上第二個(gè)膠囊內(nèi)鏡。該系統(tǒng)可以完全檢查小腸，胃部存在的疾病，并且不影響患者的正常工作活動(dòng)。該機(jī)器人的續(xù)航能力也超強(qiáng)，可以完全保證檢查完全，不存在檢查中該機(jī)器人就沒(méi)電的情況。它的續(xù)航能力是功能與其相類似的以色列產(chǎn)品的2倍左右。并且通過(guò)臨床實(shí)例統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)OMOM納米膠囊對(duì)小腸病變檢出率較高，從這里我們可以發(fā)現(xiàn)OMOM膠囊是一款很實(shí)用的科技產(chǎn)品［6］。

2.3國(guó)內(nèi)納米機(jī)器人現(xiàn)狀的總體概述

我國(guó)近幾年納米機(jī)器人技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)始制造分子馬達(dá)和納米微操作機(jī)器人［7］，并且逐步將這些機(jī)器人應(yīng)用于實(shí)際中?，F(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始把納米機(jī)器人應(yīng)用在植物育種、林木育種之中，并且已經(jīng)取得可觀的成果。尤其是ATP馬達(dá)的生物傳感器，可以說(shuō)已經(jīng)達(dá)到了先進(jìn)水平。這些研究成果會(huì)逐漸應(yīng)用到實(shí)際之中，我們可以發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的納米機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始用于醫(yī)療、育種和國(guó)防之中。

2.4納米機(jī)器人的軍事應(yīng)用

最先進(jìn)的科技往往最先應(yīng)用于國(guó)防軍事之中。在軍事領(lǐng)域，納米機(jī)器人的出現(xiàn)，將大大提升軍隊(duì)作戰(zhàn)能力和防御能力。隨著納米機(jī)器人技術(shù)同生物技術(shù)的結(jié)合，我們可以設(shè)想將已經(jīng)編程好的納米機(jī)器人植入動(dòng)物大腦之中，通過(guò)程序來(lái)控制動(dòng)物身體進(jìn)而完成一系列收集情報(bào)工作；也可以將植入在植物和動(dòng)物體內(nèi)納米機(jī)器人大量繁殖，進(jìn)而在無(wú)形之中散發(fā)有毒物質(zhì)，將納米機(jī)器人作為生物學(xué)武器來(lái)使用。同時(shí)，納米機(jī)器人更加有助于單兵作戰(zhàn)能力的提高，可以通過(guò)使用納米機(jī)器人提高普通武器的作戰(zhàn)威力，并且還可將納米機(jī)器人作為“保命膠囊”來(lái)使用，在士兵受傷并且沒(méi)有醫(yī)生醫(yī)治的時(shí)候，可以使用納米機(jī)器人醫(yī)治。納米機(jī)器人攻防兼?zhèn)洌{米機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成熟后，一旦應(yīng)用于軍事之中，各國(guó)軍隊(duì)的作戰(zhàn)方式和部隊(duì)的戰(zhàn)斗力將會(huì)大大提高。戰(zhàn)爭(zhēng)可能會(huì)從“信息化”戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)一步都演化為“機(jī)器人”戰(zhàn)爭(zhēng)［8］。

3　納米機(jī)器人的發(fā)展前景

3.1納米機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)以及發(fā)展前景匯總

1）納米機(jī)器人體現(xiàn)了人類高科技的應(yīng)用。

2）納米機(jī)器人已經(jīng)逐步應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)方面。

3）當(dāng)今中國(guó)制造2025計(jì)劃加速了納米機(jī)器人的發(fā)展。

4）納米機(jī)器人加速了醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，通過(guò)游離在人身體中的納米機(jī)器人，病人更容易被治療。

5）納米機(jī)器人比正常手術(shù)對(duì)人體傷害更小。正常手術(shù)需要?jiǎng)拥读舭毯?，納米機(jī)器人則完全不需要。

6）在納米尺度范圍內(nèi)的操作可由納米機(jī)器人執(zhí)行，會(huì)使操作更加智能化。

7）納米機(jī)器人的發(fā)展促進(jìn)了軍事領(lǐng)域的革新，使得傳統(tǒng)戰(zhàn)爭(zhēng)變?yōu)椤皺C(jī)器人”戰(zhàn)爭(zhēng)。

3.2納米機(jī)器人會(huì)大量應(yīng)用于醫(yī)療方面

現(xiàn)在有許多病情是外科醫(yī)生用手術(shù)刀解決不了的。病源可能僅僅是一個(gè)病變細(xì)胞，所以外科醫(yī)生手中的手術(shù)刀派不上用場(chǎng)。而如果用醫(yī)藥治療會(huì)對(duì)患者的整個(gè)身體產(chǎn)生損傷，所以常規(guī)傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)手段已經(jīng)滿足不了人們的需求了。此時(shí)納米機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，醫(yī)生只需要將載有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的納米機(jī)器人的藥液注入病人的血管，通過(guò)事先編好的程序，有導(dǎo)航作用的納米機(jī)器人就會(huì)帶著執(zhí)行“手術(shù)”的納米機(jī)器人到達(dá)指定位置，然后帶有“手術(shù)刀”的納米機(jī)器人就會(huì)開(kāi)展手術(shù)作業(yè)，完成治療，最后沿著人體的消化道排出體外。這種形式的治療可以說(shuō)對(duì)人體無(wú)任何損傷，沒(méi)有傳統(tǒng)治療手術(shù)后的疤痕，也不會(huì)有任何副作用，這將是醫(yī)學(xué)史上里程碑式的“巨作”。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類醫(yī)療水平的提高，納米機(jī)器人醫(yī)生將會(huì)越來(lái)越貼近人們的生活［10］。

3.3納米機(jī)器人軍事化即將成為必然

現(xiàn)在激烈競(jìng)爭(zhēng)的國(guó)際形勢(shì)和當(dāng)下熱議的釣魚(yú)島爭(zhēng)端和南海爭(zhēng)端使我國(guó)軍事科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫。我國(guó)應(yīng)該大力發(fā)展高科技創(chuàng)新，納米機(jī)器人不失為很好的選擇。前文已經(jīng)指出，納米機(jī)器人在軍事領(lǐng)域應(yīng)用攻防兼?zhèn)洌⑶铱梢詾檐婈?duì)收集情報(bào)，做好信息戰(zhàn)和機(jī)器人戰(zhàn)的充分準(zhǔn)備。納米機(jī)器人有著非常重要的軍事價(jià)值。人們可以通過(guò)仿生學(xué)技術(shù)將納米機(jī)器人的外形改造成昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類等小型生物的外觀，達(dá)到迷惑敵人的目的，進(jìn)而收集重要情報(bào)。隨著科技發(fā)展，納米機(jī)器人可以做得非常小，達(dá)到“納米塵?！钡臓顟B(tài)，這樣我們可以通過(guò)無(wú)人機(jī)將這些數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的納米機(jī)器人投放到敵人的陣營(yíng)中去，從而獲得珍貴的情報(bào)資源，為戰(zhàn)爭(zhēng)勝利奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在有許多國(guó)家已經(jīng)做成了軍用納米機(jī)器人并已投入使用，比如美國(guó)的“蜂鳥(niǎo)”機(jī)器人，做得非常逼真，通過(guò)其自帶的傳感器，可以完成其執(zhí)行的任務(wù)。納米機(jī)器人作為先進(jìn)武器，一定會(huì)讓軍隊(duì)的作戰(zhàn)方式、作戰(zhàn)狀態(tài)有很大的改變，所以納米機(jī)器人技術(shù)至關(guān)重要［11］。

3.4納米機(jī)器人技術(shù)可以解決環(huán)境嚴(yán)重污染問(wèn)題

二十世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，我們周?chē)沫h(huán)境越來(lái)越差，霧霾越來(lái)越嚴(yán)重，河流經(jīng)常被工廠排放的廢水污染，地震導(dǎo)致日本福島核電站核泄漏，這些污染問(wèn)題，用當(dāng)下常規(guī)的方式去除，效果非常慢，幾年的治理，往往效果不明顯，需要幾十年的治理，才能有很好的效果。所以常規(guī)治理手段已經(jīng)越來(lái)越跟不上時(shí)代的節(jié)奏。納米機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)正好為污染帶來(lái)了新的解決方式。利用納米機(jī)器人技術(shù)，我們可以快速治理污染的水源。通過(guò)將大量納米機(jī)器人放入污染水源中，用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的傳感器和程序讓納米機(jī)器人作為“分解者”將污染源分解掉，從而解決河流污染問(wèn)題。利用納米機(jī)器人技術(shù)，我們還可以解決石油泄漏污染問(wèn)題。用常規(guī)方式往往不容易解決石油泄漏污染問(wèn)題，從而造成大量海洋生物死亡并且造成大量經(jīng)濟(jì)損失。我們可以運(yùn)用納米機(jī)器人作為這些細(xì)小分子的搬運(yùn)工，將它們收集到一處安全區(qū)域，從而防止泄漏時(shí)的擴(kuò)散和污染。隨著納米機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我相信這種處理方法不久就會(huì)出現(xiàn)［12］。

3.5納米機(jī)器人會(huì)加速人類文明

目前有很多學(xué)者正在研究關(guān)于為人腦植入芯片的課題。我認(rèn)為納米機(jī)器人植入人腦，作為人類“第二個(gè)大腦”將人類智力提升也是一種不錯(cuò)的選擇。隨著科技的發(fā)展，集成度超高的芯片已經(jīng)漸漸走進(jìn)人們的視野。我們可以做出一個(gè)合理的設(shè)想：將高集成度芯片裝在納米機(jī)器人上將其植入大腦，通過(guò)一系列生物學(xué)連接手段讓納米機(jī)器人與人類通信，輔助人類思考，從而提高人類智力，進(jìn)而加速人類文明的發(fā)展。這時(shí)納米機(jī)器人已不是“機(jī)器人”，而是一個(gè)大小接近于細(xì)胞的工作在大腦思考區(qū)的輔助裝置。這將是人類文明又一偉大的前進(jìn)［12］。

4　結(jié)束語(yǔ)

人類文明走進(jìn)了21世紀(jì)，越來(lái)越多的科技創(chuàng)新在推動(dòng)著我們前進(jìn)。納米機(jī)器人技術(shù)也是這些燦爛的科技成果中的一大亮點(diǎn)。隨著中國(guó)制造2025的推進(jìn)，納米機(jī)器人技術(shù)將會(huì)飛速發(fā)展，走向空前繁榮的地步。隨著納米機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，許多行業(yè)都將會(huì)發(fā)生變革。許多科學(xué)難題也會(huì)被一點(diǎn)點(diǎn)攻破。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 梁順可.納米機(jī)器人發(fā)展綜述［J］.科技展望，2015，（7）：220-222.

［2］ 周陳霞，徐萬(wàn)和.納米機(jī)器人的發(fā)展和趨勢(shì)及其生物學(xué)應(yīng)用［J］.機(jī)械，2011，（4）：1-5.

［3］ 梁章.納米機(jī)器人顯神功［J］.科學(xué)大觀園，2012，（20）：40-42.

［4］ 榮烈潤(rùn).納米機(jī)器人淺談［J］.機(jī)電一體化，2007，13（1）：6-8.

［5］ 平朝霞.納米機(jī)器人的研究進(jìn)展［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2012，（12）：25-28.

［6］ 張齊聯(lián)，年衛(wèi)東，王化虹，趙曉晏，吳詠冬，沈薇.OMOM膠囊內(nèi)鏡臨床應(yīng)用的初步評(píng)價(jià)［J］.中華消化內(nèi)鏡雜志，2005，22（2）：86-89.

［7］ 江澤民，徐德，王麟昆，譚民.微操作機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展綜述［J］.機(jī)器人，2003（6）：554-559.

［8］ 杜文龍，劉建民.納米機(jī)器人時(shí)代即將到來(lái)［J］.科技導(dǎo)報(bào)，北京：2014，（Z1）：120.

［9］ 木子.納米機(jī)器人的手術(shù)夢(mèng)［J］.科學(xué)24小時(shí)，2015，（11）：11-13.

［10］ 史桂龍.微戰(zhàn)場(chǎng)打納米級(jí)戰(zhàn)爭(zhēng)［N］.解放軍報(bào)，2001（11）.

［11］ 張鈞，鞠偉.基于納米技術(shù)的環(huán)境保護(hù)新材料與污染防治新工藝的研究［J］.環(huán)境技術(shù)，2006，24（3）：26-32.

［12］ 范圓圓.人類未來(lái)會(huì)不會(huì)變成“芯片人”？［N］.科技日?qǐng)?bào).2014（4）.

An overview of the characteristics analysis，application situation and the development prospect of the nanometer robots generally

WANG YU-shan， SUN Xue

中圖分類號(hào)：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0147-03

收稿日期：2016-02-01

作者簡(jiǎn)介：王玉山（1995 -），男，遼寧沈陽(yáng)人，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。