對人類而言，微觀世界仍然存在很多謎題——無論是地球上生命力最頑強的微型生物水熊蟲，還是被譽為“微生物工廠”的微米級大腸桿菌，甚至是可寄生在大腸桿菌中的納米級噬菌體，以及蘊含著神秘生命起源的分子基因編碼DNA，人們均知之甚少。近半個世紀以來，人們一直渴望制造出一種能進入微觀世界的微型機器人，披上水熊蟲的“軟猬甲”，潛入大腸桿菌的“大腦”，聆聽噬菌體的“私語”，指揮基因合成蛋白質，與細胞協(xié)同完成生命的演化，代替人類“看看”微觀世界到底發(fā)生了什么。也許就在不遠的將來，這一愿望就能實現(xiàn)——微納米機器人。
別有洞天的微觀世界
微觀世界是一個神奇且充滿未知的“洞天福地”，存在著眾多令人難以置信的神奇景象。隨著尺寸減小，微尺度時空效應也逐漸顯現(xiàn)。在這里，物體的表面積相較體積的比率成反比例增加，這意味著在微尺度世界里，能量的耗散作用更加劇烈，生命體的代謝加快、生命周期縮短；微流體環(huán)境的低雷諾數(shù)特性表現(xiàn)出黏滯力占優(yōu)，慣性力可被忽略，物體像是被放置在非常黏稠的蜂蜜里一樣。到了納米尺度，物體還會受到更加強烈的分子間相互作用力，如范德華力等。此時，物體所受重力作用可被近似忽略，同時，受到分子的機械沖撞更加顯著，無規(guī)則的布朗運動也相對更劇烈。
在這種看似極端惡劣的微觀世界中，卻存在著種類繁多的微小智能體，它們展現(xiàn)出頑強的生命力和奇異功能。例如，水熊蟲是一類體長在亞毫米的微型無脊椎動物，憑借獨特的生理構造和強大的基因修復能力，可在環(huán)境惡化時展現(xiàn)出獨特的隱生“絕技”，以耐受酷熱干旱、接近絕對零度的極寒冰凍、高海拔缺氧、深海高壓、外太空高劑量輻射等極端環(huán)境。在肉眼難以分辨的微生物世界，還存在著數(shù)量驚人的微米級單細胞生物，如原生動植物、細菌、真菌、支原體、衣原體等。它們廣泛分布在自然界中，與人類的生產(chǎn)、生活和生存息息相關。此外，僅由核酸分子和蛋白質保護外殼構成的病毒，由于不具備完整的細胞形態(tài)且脫離宿主，無法獨立完成新陳代謝，通常被認為是非生命體。但它們卻具有選擇性吸附宿主，并在侵入后借助宿主細胞提供的原材料，完成自我復制增殖的能力，展現(xiàn)出令人嘆為觀止的群集智能與行為。
不僅如此，微觀世界的運行是高度組織化的。眾所周知，細胞是構成生物體的基本單位，其內(nèi)部更像是一間復雜繁忙卻組織有序的“微機器工廠”。細胞核是工廠的控制中樞，在酶催化作用下含有信息編碼的DNA在這里完成復制并轉錄成mRNA。經(jīng)過剪接與修飾后的mRNA進入細胞質，在蛋白質的合成車間——核糖體內(nèi)進行翻譯，并將眾多單個的氨基酸組裝成蛋白質長鏈。這些蛋白質再經(jīng)過包裝和修飾，由“貨運機車”驅動蛋白以微管為導軌運輸?shù)街付▍^(qū)域。而機車動力是由工廠中的“發(fā)電站”線粒體經(jīng)過氧化代謝產(chǎn)生的分子燃料電池ATP提供。這個微機器工廠的整個運行過程如何做到如此精準、可控且高效，一直是科學家們期望解開的生命體的終極謎團。這對揭示微觀生命的謎團，提高生物合成效率，改進生物代謝的方向或路徑均具有重要意義，可為未來人類可持續(xù)發(fā)展提供重要的技術支撐與物質保障。
為探索微觀世界而生的微納米機器人
大自然鬼斧神工，可在微納米尺度上建造像DNA、核糖體、噬菌體、大腸桿菌等如此精妙的智慧生命體。工程上，科學家也在試圖模仿大自然的方式，在微尺度層面創(chuàng)造相似的人造智能體，借助它們進入微尺度，參與調(diào)控生命體各個維度不同階段的生長和演化，并通過這些人造微機器與有機生命體間的交互協(xié)同，最終實現(xiàn)自組織，涌現(xiàn)出可控的系統(tǒng)性宏觀行為。
這里，我們來粗略定義“微納米機器人”：它們是一種智能微機械系統(tǒng)，尺寸通常從亞毫米到幾十納米，被考慮用于在復雜微尺度環(huán)境下適應性地自主完成可控微操作。
機器的微型化提供了一種探索微觀世界的全新視角和有效工具，微納米機器人技術的發(fā)展對探索生命的奧秘具有重要意義。在科研探索方面，作為先進機器人學的重要分支之一，微納米機器人學是一門集眾多重大科學問題與前沿熱點技術的新興交叉學科，涵蓋物理、化學、生物、力學、材料學、微納制造、微機電系統(tǒng)、機器人學、微動力學、微電子、信息與控制、生物工程、生物醫(yī)藥、臨床醫(yī)學等多個學科。
說起微納米機器人的歷史，我們或許可以追溯到20世紀60年代。美國理論物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼于1959年12月29日在加州理工學院發(fā)表的演講中首次提及納米技術，他這樣描述這一神奇的技術：“底部有足夠的空間”。這個劃時代的論述不僅奠定了納米技術的概念，也預示了微納米機器人與納米醫(yī)學時代的到來。
根據(jù)費曼的說法，他當時的博士生阿爾伯特·希布斯最早提出“吞噬外科醫(yī)生”的大膽構想，并指出“或許可以在體內(nèi)永久植入一些微小機器來協(xié)助某些功能不足的器官正常工作”。這個“瘋狂”的想法，隨后被改編成通過微縮技術，將潛艇縮小到微生物尺寸并注入人體修復腦損傷的情節(jié)，拍成了著名的科幻電影《奇幻航程》。
值得一提的是，這種以微縮的形式進入體內(nèi)的想法早在我國古代明朝中葉成書的《西游記》中就有類似的情節(jié)，例如孫悟空幻化成飛蟲鉆入鐵扇公主腹中，可隨心所欲變化大小的如意金箍棒等。我國東晉葛洪所著的《神仙傳·壺公》中也提到過類似微縮時空的法術：“（費長）房有神術，能縮地脈，千里存在，目前宛然?！?/p>
半個世紀后的2008年，費曼當年的奇妙構想，終于被瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究團隊成功實現(xiàn)——人工“磁螨”。這個機械螨蟲的尺寸在亞毫米級，在高頻振蕩磁場驅控下，通過將錯位磁塊相互撞擊產(chǎn)生的慣性沖擊轉化為前進推動力，以此實現(xiàn)對微小物體的精準操控。2009年，該團隊又通過仿生大腸桿菌的螺旋運動研制出人工“細菌鞭毛”，這種由納米異質薄膜自卷曲技術制造的三維微螺旋，可在低場強旋轉磁場驅控下完成精準的靶向藥物遞送。
早期的研究更多聚焦在探索如何設計將各類能量形式轉化為機械能的微執(zhí)行機構，因此也經(jīng)常將其形象地稱為微納米馬達。近些年，隨著軟物質材料、微納增材制造和人工智能的興起，微納米機器人學開始從單一結構功能化，向著使機器適應微尺度復雜環(huán)境和多任務需求的智能化方向發(fā)展。
如今，微機器智能化的研究已初具雛形，包括微動力與精準操作、微機械增益、軟體適應性、柔順連續(xù)體、模塊化重構、信息存儲與處理、混合雜交優(yōu)勢、仿生與優(yōu)化、微系統(tǒng)集成、自組織交互與群集智能，以及分子自組裝/復制/生長等多個熱門方向。目前，該領域最前沿的工作都在嘗試解釋或解決，如何在微尺度下賦予機器真正智能這一核心問題，共同指向了微機器功能化的終極目標和最高階段：微機器智能，或微尺度人工智能。
具有廣闊的應用前景
近些年，新興的先進材料與納米技術推動了微納米學領域的快速發(fā)展，研究涉及從分子層面的可控自組裝分子馬達、DNA折紙，到微納尺度的復合式機械傳動裝置、可重構式柔性變體微機器、雜交式生機電系統(tǒng)、集成式微電子微機器、交互式納米腦機接口，以及如撲翼式機械昆蟲的毫米級微型機器人等眾多前沿方向。這些人造微機器具有尺寸微小、無損微創(chuàng)、超輕便攜、操控精準、功能集成度高、易于大規(guī)模制造等獨特優(yōu)勢，且具備超高靈敏度與響應能力、增強的穩(wěn)定性與魯棒性、極低的能量耗損等微尺度性能，對精準醫(yī)學、環(huán)境工程、智能制造、生命科學以及人工智能等眾多領域的技術革新與場景拓展具有不可替代的推動作用。
在醫(yī)學方面，微納米機器人在微創(chuàng)介入、靶向輸運、快速救治、早期診斷及組織修復等精準醫(yī)療領域潛力巨大，如利用微納米機器人進入肝腎腫瘤、腦動脈瘤、外周組織器官，對微細供血動脈進行栓塞封堵及血栓清除，通過蛛網(wǎng)膜下腔，進入并精準操控中樞神經(jīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)治療中晚期癌癥疼痛控制，利用植入式多傳感器系統(tǒng)在體監(jiān)測生理體征等。
除此之外，微納米機器人未來也能在河海污水凈化、大氣污染防治以及生物降解與催化等環(huán)境工程領域發(fā)揮重要作用。這些微小智能體，可在外場驅動下，自組織群集運動，來精準調(diào)控局部流場微擾動，對特定環(huán)境條件進行趨向性響應，并通過攜帶、運載及釋放生物酶或催化劑，有選擇性地識別污染物，加快反應進程，大幅提高有機分子、毒/核素、海洋油污、致病微生物、微塑料、重金屬及放射性等污染物的捕獲、去除、降解或修復效率。
由于自身尺寸小，微納米機器人具有極高的空間自由度、超冗余靈巧性，可以潛入傳統(tǒng)機器人無法到達的受限空間內(nèi)完成精細化操作，在復雜三維超材料加工、微電子電路裝配與封裝、微腔道內(nèi)探測與檢修等高端裝備制造領域具有獨特優(yōu)勢。特別值得關注的是，人類能否在微尺度建造類似于細胞內(nèi)的“蛋白質合成工廠”，其關鍵在于如何構建用于氨基酸可控組裝且具有高度可識別性的DNA編碼，來精準指導蛋白質的有序合成。已有的研究顯示，納米磁編輯技術可在納米級精度上將多模態(tài)變體信息嵌入微機器，而其更重要的價值體現(xiàn)在，利用納米磁編碼，可構建起類似于DNA雙螺旋的堿基配對。由此，對微納米機器人進行組織化分工，可以高效有序地進行各類功能微單元的可控裝配，未來有望利用該技術在微尺度下真正實現(xiàn)由“機器制造機器”的“微機器工廠”。
當然，微納米機器人的舞臺遠不限于此，它面向各類實際應用的潛力無限。我們現(xiàn)在有許多問題找不到理想的答案，但每一個問題都如此令人著迷：DNA分子計算機是否可以超越量子計算機？微型飛行器的最小尺寸是多少，微米甚至納米級？人工智能的物理極限是什么，最小智能體單元是單個氫氧分子嗎？納米醫(yī)生與長期在體植入，納米腦機接口與單神經(jīng)精準操控，跨尺度交互如何實現(xiàn)……由此產(chǎn)生的革命性顛覆技術都將是微納米機器人未來極具潛力的發(fā)展方向。
微納米機器人已不僅僅存在于科幻電影中，各國科學家們正在積極推動它們從基礎研究邁向真正的實際應用場景，人們對它有一天能夠造福人類和改造世界充滿遐想和期待。盡管如此，我們需要清醒地認識到，微納米機器人這一領域才剛剛起步，廣泛的多學科交叉，會帶來更多集成創(chuàng)新的棘手難題，還需要從國家層面，積極引導不同學科最前沿領域的科學家深度協(xié)同攻關，快速推動微納米機器人領域的高質量發(fā)展。面向下一代智能微機器發(fā)展先進微納米制造與機器人技術，我們要以國家重大需求為導向，撬動機器、裝備、系統(tǒng)的智能化和微型化，重點探究微機器智能化實現(xiàn)的基礎理論與關鍵技術，牽引微納米機器人領域的快速發(fā)展，搶占科技制高點，維護國家核心利益。
（作者：黃天云，系北京大學工學院先進制造與機器人系、微米納米加工技術全國重點實驗室、湍流與復雜系統(tǒng)國家重點實驗室研究員）
??本文圖片均為光明圖片/視覺中國
