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    中國(guó)作家協(xié)會(huì)主管

    探索微觀世界的機(jī)器人
    來(lái)源:人民日?qǐng)?bào) | 焦念東  2021年06月01日08:46
    關(guān)鍵詞:科研 機(jī)器人

    不久前,包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種比發(fā)絲直徑還小的“微型千紙鶴”,在電壓的作用下,不到一秒就可以自動(dòng)從平面折疊完成。作為一種大小只有幾十微米的新型微型驅(qū)動(dòng)器,這種充滿想象力的千紙鶴是微納米機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域的又一突破,有助于未來(lái)在微納米水平上完成復(fù)雜而精細(xì)的工作。

    人們對(duì)微納米機(jī)器人的暢想早已有之。20世紀(jì)60年代,科幻電影《神奇旅程》就描述了被縮小到只有細(xì)胞大小的“微型潛艇”進(jìn)入人體內(nèi)的冒險(xiǎn)之旅。現(xiàn)實(shí)世界中,科學(xué)家對(duì)能夠在毫米、微米甚至納米尺度執(zhí)行特定操作的機(jī)器人的研究也從未止步。

    目前,國(guó)際上對(duì)微納米機(jī)器人的尺寸還沒(méi)有統(tǒng)一的嚴(yán)格定義。科研人員通常將機(jī)器人本體尺寸介于1毫米至1厘米間的稱為毫米機(jī)器人,介于1微米至1毫米間的稱為微米機(jī)器人,介于1納米至1微米間的稱為納米機(jī)器人,后兩者統(tǒng)稱為微納米機(jī)器人。微納米機(jī)器人的研究屬于多學(xué)科前沿交叉領(lǐng)域,機(jī)器人學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等學(xué)科的新發(fā)展都會(huì)為微納米機(jī)器人的發(fā)展提供動(dòng)力。

    微納米機(jī)器人由于尺寸太小,在研制過(guò)程中主要面臨三方面挑戰(zhàn):能源、驅(qū)動(dòng)和控制。不同于宏觀機(jī)器人,微納米機(jī)器人無(wú)法外接電線或攜帶電池為其供能,也不能裝載電機(jī)來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。此外,在微觀環(huán)境中,如何觀察及無(wú)線遙控微納米機(jī)器人按指令運(yùn)動(dòng)及作業(yè),也是需攻克的難題。針對(duì)這些問(wèn)題,科學(xué)家已開(kāi)展的微納米機(jī)器人研究主要包括磁驅(qū)動(dòng)、光驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、化學(xué)驅(qū)動(dòng)微納米機(jī)器人以及微生物機(jī)器人等。

    微納米機(jī)器人主要由微納米材料加工制備而成,其結(jié)構(gòu)有球形、圓餅形、螺旋形、籠子形、仿細(xì)菌形等;而微生物機(jī)器人則是利用微生物細(xì)菌、藻類細(xì)胞或白細(xì)胞等作為微米機(jī)器人,結(jié)合其自身運(yùn)動(dòng)特性及外部刺激來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)。

    得益于超小的尺寸,微納米機(jī)器人能夠進(jìn)入傳統(tǒng)設(shè)備無(wú)法到達(dá)的微觀環(huán)境中運(yùn)動(dòng)及執(zhí)行操作。比如,微納米機(jī)器人可進(jìn)入微流控芯片內(nèi)對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行微操作及裝配,進(jìn)入生物體自然腔道或血管內(nèi)進(jìn)行探測(cè)和藥物遞送,甚至進(jìn)入單個(gè)細(xì)胞內(nèi)部來(lái)測(cè)量細(xì)胞核的楊氏模量。微納米機(jī)器人還可以“協(xié)同作戰(zhàn)”,科學(xué)家可控制其群體改變構(gòu)型穿過(guò)狹小管道,抵達(dá)靶向位置釋放藥物。目前,微納米機(jī)器人已成為科研人員探索微觀世界新現(xiàn)象和新機(jī)理的助手,不過(guò)其結(jié)構(gòu)仍較為簡(jiǎn)單、功能有限。

    未來(lái),如果微納米機(jī)器人能達(dá)到類似生物細(xì)胞內(nèi)分子機(jī)器的復(fù)雜程度和功能,它們有望幫助人類進(jìn)行DNA分子編輯、從分子層面上治療疾病,由微觀向宏觀構(gòu)建物質(zhì)結(jié)構(gòu),甚至開(kāi)發(fā)出新型生物能源。微納米機(jī)器人的發(fā)展,一方面需要各相關(guān)學(xué)科不斷取得突破,另一方面也要“師法自然”,從自然界和生活的奇妙智慧中不斷獲得靈感。

    (作者為中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究員)

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