分子纳米技术：纳米机器制造

1.纳米机器制造

纳米机器和纳米机器人是不同的两个概念，我们所说的纳米机器是利用纳米技术生产出来的一些机器，而纳米机器人只是它内部的一分子。关于纳米机器，我们将会列举3个例子来进行讲述，分别是分子马达、纳米机器人和纳米火车。这些都非常有意思，不信就和我们一起去了解它们吧！

应用于医学领域的纳米机器人

分子马达

（1）别致的分子马达

听到这个名字你是不是感觉很奇怪？或许你见过马达，但是你可能没有见过分子马达。究竟什么样的马达才算是分子马达呢？从一方面来讲，分子马达又称分子发动机，是分布于细胞内部或细胞表面的一类蛋白，它负责细胞内的一部分物质或者整个细胞的运动，生物体内各种组织、器官乃至整个生物体的运动最终都归结为分子马达在微观尺度上的运动。另一方面，在其他的场合中，它所指的意义有所改变，要根据场景来理解。

分子马达蛋白

我们知道，生活中常见的马达都是一些机器上负责发动的零件。那么，如果我们想要在微观的世界里制造一些微小的机器，我们首先也要进行微型零件的生产。而分子马达就是微观世界里机器上的零件之一。但是，你不要小看这些零件，如果没有它，很多纳米机器都无法诞生。

分子齿轮

我们知道，生活所见到的很多机器都是由齿轮来带动其运行的，那么，试想一下，在微观世界中，能不能制造出纳米尺度的齿轮呢？事实告诉我们这是有可能的。日本东京大学已经成功研制了世界上第一个可自动控制转速的分子齿轮。这种分子齿轮的结构是在两个直径约为1纳米的卟啉分子中间夹一个直径约为0.1纳米的金属离子。采用的原理是，在植物的叶绿素中提取出卟啉分子，然后将卟啉分子和金属离子放入同一种溶液中，并在特定的条件下将这种溶液加热，这样就可以制造出分子齿轮了。另外，日本有关专家还介绍说，目前这种分子齿轮还不能投入使用，如果要达到实用化的目的，就必须将多个单独旋转的分子齿轮结合起来，组成一个力的传动系统。但是，这项研究的实施还有待于专家们进一步探讨。

同时，这个设想若要实现，还需要为齿轮提供一个推力，它就是——分子马达。科学家曾经利用多个DNA分子来制造分子马达，虽然成功了，但这些马达都存在着效率不高、难以控制的缺陷。后来，有两个中国学者提出利用单个的DNA分子来制造分子马达，经过不断的研究，制成了这样的分子马达。这个结果令人欣慰，也代表着纳米机器向人类现实又走近了一步。

DNA链条

由于DNA是生物遗传物质的载体，所以由DNA研制成的分子马达具有其他物质所不具备的特点。它的优点是可以直接将生物体的生物化学能转换成机械能，而不像普通的马达那样还需要电力支配。因此，从理论上说，DNA分子马达可以借助一些生物化学变化而进行药物和基因等的传递，比如说，将药物分子直接输送至癌细胞的细胞膜。与多分子DNA马达相比，单DNA分子马达应用起来更为方便。

DNA芯片

此外，采用人工合成的单DNA分子来制造分子马达的另一个好处是，可以根据不同要求而有针对性地设计出DNA分子，有目的地制造出DNA分子马达。这样不仅能够做到节约成本和资源，而且还能提高DNA的利用率。此外，所制造出的这些马达不但拥有不同的效率，并且还能把物体搬运到更远的地方。

DNA电子扫描图

然而，令人遗憾的是，分子马达的投入使用还是一个未知数。不过，我们相信，随着科学的不断发展和科学家的不懈努力，分子马达的投入使用不会让人们期待太久。

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世界上最小的马达

美国波士顿大学的化学家制造出世界上最小的马达，该分子马达由78个原子构成。它一共花费了科研人员四年的时间。

（2）神奇的纳米机器人

在纳米机器中，有一位“神奇的小人”，它的出现是纳米技术成熟的一个标志。那么，这个“神奇的小人”是什么呢？它就是纳米机器人！

或许我们见过机器人，但是，纳米级的或许还是第一次听说吧！那么，纳米机器人和普通的机器人有什么区别呢？它有哪些神奇的功能呢？

正在工作的纳米机器人

纳米机器人

自从1986年，美国的德雷克斯勒博士在自己的著作《创世的引擎》中提出了分子纳米技术的概念之后，纳米技术就已经崭露了头角。但是，由于当时科学还不是那么发达，所以他的设想一直没有应用于实践。其实，他所说的分子纳米技术，就是使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，并可以做出任何种类的分子结构。他提倡的分子纳米技术包含这样的观点，微型机器可以利用自然界中存在的所有廉价材料制造任何东西。很显然，这种观点显得比较离奇。然而从另一个角度来看，他的观点却揭示了一个我们在21世纪将会大规模进军的领域——微观机器人领域，也就是我们要说的纳米机器人。

想要了解什么是纳米机器人，我们首先要了解什么是机器人。一般来说，机器人是指靠自身的动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。在国际上它指的是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。

其实，机器人就是一个总称，它的种类有很多种，按照发展过程可以将它分为一、二、三代。第一代指的是只有“手”的机器人，以固定程序或可编程序来进行工作，不具有外界信息的反馈。这种机器人也称“示教再现型”机器人。第二代指的是对外界信息有反馈能力，并且具有触觉、视觉、听觉等功能，是一种“感觉型”机器人，又称“适应型”机器人。第三代是指具有高度的适应性，有自主进行学习、推理、决策、规划等功能，这种机器人被称为“智能型”机器人。

机器人

智能型机器人

那么，我们所说的纳米机器人称为第几代机器人呢？它又有哪些功能和特点呢？纳米机器人也是我们通常所说的微型机器人，又称为“明天的机器人”，它是机器人研究领域的一颗新星，它同智能机器人一起成为科学追求的目标。微型和超微型机器人的制造理念是为了方便完成一些人类极难去完成的工作。因为，那些工作如果用一台结构庞大、价格昂贵的大型机器人去做，不但没有足够大的空间让其进行工作，而且由于高昂的成本，不易广泛使用。所以，想要制造出一些体形较小、成本不高的机器人成为了科学家追求的目标。如果用这些小机器人去完成人类不易完成的工作，就好像是用一大群蝗虫去“收割”一片庄稼，要比使用一台大型联合收割机要收割得快。

纳米机器人

那么，微型机器人的发展的条件是什么呢？其实，它的发展要依赖于微加工工艺、微传感器、微驱动器和微结构这4个支柱来支撑。只有这4个方面发展完备了，纳米机器人的出现才会成为可能。但是，这四个支柱并不是那么容易就能成熟的，它们的完备也是需要一定条件来做基础的。它们的基础研究要具备3个阶段，即器件开发阶段、部件开发阶段、装置和系统开发阶段。

微型机器人应用在医学

此外，微型机器人的发展，离不开集成电路，因为它是建立在大规模集成电路制造技术的基础上的。它所依赖的微驱动器、微传感器也都是在集成电路技术基础上用标准的光刻和化学腐蚀技术而制成的。一般的集成电路大部分是二维刻蚀的，但是，微型机器人所需要的完全是三维集成电路。由此我们也可以看出，微型机器人和超微型机器人已逐步形成一个牵动众多领域向纵深发展的新兴学科。

纳米机器人应用在医学上：纳米机器人正在捕捉一个细胞(www.chuimin.cn)

那么，纳米机器人的出现，给我们的生活带来了什么样的影响呢？它的特殊功能又表现在什么地方呢？

首先，纳米机器人可以在原子级水平上工作。这个特点给当前的医学界带来很大的方便。例如在外科手术上，医生能够用遥控控制纳米机器人来为病人做毫米级视网膜开刀手术。并且这样的手术能够在眼球运动的情况下，进行切除弹性网膜或个别病理细胞，接通切断的神经。纳米机器人在病人体内或血管中穿行，如果发现癌细胞就会立即把它们杀死或刮去主动脉上堆积的脂肪等，同时它能识别好的细胞，在去除癌细胞的同时又不伤害好的细胞。另外，还可以把纳米机器人放到人的胃内对人的胃进行全面检查。

乳腺癌细胞

由此我们可以看出，纳米机器人的作业能力能够达到分子、原子级水平，为人类在微型的世界里开启一扇窗。纳米机器人还可以用于精密制造业的加工，例如可以用它来制造存储量更大的电脑存储芯片，加工精度极高的“超平面磨床”等。

纳米机器人技术的应用，给我们的生活、工作带来了方方面面的便捷。例如使各种各样的航天测量工作变得更为轻巧；磁带录音机之类的家用电器也会变得更加小巧和方便；电视机的屏幕可以做得既大又薄，并且观看的效果也比以前大有改善，像是在自家建设了一座电影院一样。另外，还可以用纳米机器人来进行自动控制等。可以说，纳米机器人的出现导致了一场机械学上的革命。

超平面磨床

总之，纳米机器人的应用范围是非常广阔的，它不但可以用于医疗、家庭、航空航天，而且还能应用到航海、农业、通信等方面。例如，海底的贝类和苔藓会阻碍舰只航行，用人工去清除几乎是不可能完成的工作，但是如果扔下成千上万个纳米机器人去咀嚼这些阻碍物，将是一件很容易完成的工作；如果把纳米机器人应用到农业上来消灭害虫，它们的工作成果可以和那些农药相媲美，并且还不会给农作物造成任何污染，达到绿色环保的效果；另外还能够将它们用在改善农业干旱上，如果让飞行的纳米机器人载着湿度仪和红外传感器降落在灌溉系统的阀门上，它们就能将干旱的信息传输给传感器，使阀门打开，这样就能定量灌溉农田，缓解农业旱情。纳米机器人也可以携带摄像机和微型光纤，进入人类无法到达的地方去观察环境，存储或传输图像。例如，当发现地下电缆断了而无法进行人工维修后，就可以让纳米机器人沿着电缆爬行，当爬到断头时，它们便用双手搭在断开的电缆两端上，通过它们的身体来连接断开的电缆线。纳米机器人还可以清洁、修理空间望远镜，检查宇宙飞船热屏蔽罩，给飞机机罩除冰等。如果能将大量的纳米机器人派送到其他星球上去，科学家就能通过它们来发回各种所需的信息，从而研究其他星球。即使在现实生活中，我们也能够利用它们来保护我们的生命和财产安全。例如，对于大型的企业来说，每天晚上可以让纳米机器人在仓库附近放哨，因为它的微小，一般人不容易发现它，所以能够很好地防止盗窃者进入。当然也能够把他们装在住房隐蔽处来保卫我们家庭的安全等。

贝类

海底苔藓

自动灌溉果园

微型机器人

虽然我们介绍了那么多纳米机器人的好处，但是无论它怎么样的好，它和人类还是有一定的区别的。我们对它的评价只是通过它所具有的人的能力来进行评价的。那么，纳米机器人的人为能力到底有哪些呢？我们人类所具有的特点它也都具备吗？其实，纳米机器人作为能力的评价标准有智能、机能、物理能等几个方面。智能是指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能是指变通性、通用性或空间占有性等；物理能是指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。由此可以看出，纳米机器人具有人的大部分能力，与人类极其相似。

仿精子驱动为纳米机器人提供动力

那么，目前有没有和人类智力水平相当的纳米机器人呢？目前还没有任何的机器人的智慧能和人类相比。但是，科学家预言，大约在2040年的时候将会出现一种 “智能纳米机器人”，这种机器人的智力将远远高出现在机器人的水平，达到和人类差不多的智能水平。有的人肯定会很担心地问，如果真有这样的机器人出现，那人和机器不就乱套了吗？其实，这个担心是多余的。因为，无论在什么样的情况下，人和机器终将处于一种操纵与被操纵的局面，它们之间是一种共生的关系。这也将是人机联合的一种新局面的出现，是人类一个新的开发阶段的开始。

有人认为，纳米机器人就是一个能够模仿人的动作的微型机器。其实，这种观点是不完全正确的。美国麻省理工学院电动机工程师阿尼塔•弗林曾经研制成功了一台精密型机器人，它能借助自身的动力爬行、步行、跳跃、旋转等，而且还具有锐利的视觉、灵敏的听觉、准确的感觉。这就说明了，微型机器人并不是只用来模仿人的动作，它也可以有自己的视觉、嗅觉以及其他的一些感觉等。目前，科学家们正试图研制超微型机器人。他们预言，到2l世纪末期，这种超微型机器人如果能研制成功，它就可以像红细胞那样注入人的体内，从溶解在血液内的葡萄糖和氧气中获得能量。并且，它能够按照事先编好的程序，来对人体进行探试、辨识、过滤以及清除人体内的病毒，保持肌体的健康。20世纪90年代中期，美国麻省理工学院的专家们就已经开始研制高4毫米的带马达的微型机器人。他们说，这种微型机器人非常微小，因此能进入人体内代替医生为病人进行手术，并且再用十几年时间，这种机器人就能试制成功，投入生产和使用。

血液中的纳米机器人

由此，我们可以试想一下，或许在将来的生活中，新型的纳米机器人可以替代人类做任何事，也能制作出我们想要的任何东西。另外，科学家设想在未来纳米机器人的帮助下，我们甚至可以从因特网上下载硬件。这就使纳米机器人的功能又增加一层。其实，无论未来的世界怎样变化，人类都将是它的主宰者。随着社会的不断发展和人类创造力的不断提高，未来的世界将是个更为神奇、便捷的世界。

微型机器人

（3）纳米火车的出现

火车是我们都比较熟悉的交通工具，即使你没有坐过火车，一定也在电视或者其他的地方看到过它的身影。那是一条长长的各种颜色的巨龙。它也是陆地上运输能力最大的交通工具了。可是，你想象过吗？有一种很小巧的东西它也叫火车，只是它的前面戴了一顶“帽子”，被称为——“纳米火车”。它是什么东西呢？也能像生活中的火车那样来运输货物和旅客吗?

其实，它是和普通火车具有不同形态和环境的火车，是目前科学家正在研究的一种应用在人体内部的微型火车。这种火车是以神经细胞中的微管片段为车厢，以牛脑中的驱动蛋白为牵引机车，并且可以在特定的轨道上运行。它目前还不具有装卸货物的功能，但是，科学家们正在努力实现这一目标，并且目前已经取得了一定的成果。假如能够成功的话，那么人类向着实现纳米级的自组装工厂这一目标又迈近了一步。

纳米火车是怎么样被研制出来的呢？据说它是由美国华盛顿科学家维奥拉•福格尔制造而成的。他用富含蛋白质的微管片段制造微小车厢，这些管道只有人头发直径的0.1%那么粗，它们在神经细胞中纵横交错地分布着。他把这些细丝切成微小的片段，然后把它们放到用薄薄的特氟隆(一种化学材料，可以用来做不粘锅的涂层)做成的轨道上，这些微小的车厢就能在轨道上奔跑了。那么，纳米火车的出现标志着什么呢？早在1986年，技术预言家埃里克•德雷克斯勒在《创世的引擎》一书中描述了一个分子机器取代工厂的世界。他认为这些微小的“装配者”将利用一桶一桶的原料，一个一个分子地制造出包括计算机和汽车在内的各种东西。在这个世界里，纳米机器人能够实现自我复制与自我维修，由于它的复制和维修同时进行工作，因此这样发展的速度很快，并且廉价得令人难以置信。他还说，在未来世界里的某一日，人们将会用纳米技术培育从塑料到火箭发动机等各种东西。而他的预言也是福格尔制造纳米火车的意义所在。或许他并不知道他的这一举动印证了德雷克斯勒预言，但是他的纳米火车也许会首次填补纳米技术领域没有动力装置的空白。

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什么是驱动蛋白？

驱动蛋白是一类蛋白质超级家族，属于分子马达的一种，其成员代表驱动蛋白-1，于1985年被发现。驱动蛋白是由单体组成的多聚体，其“头部”具有活性，能通过水解获得能量，改变构型，进行运动。它和动力蛋白一样，以微管构成的轨道进行滑行。与可以朝微管两极运动的动力蛋白有些不一样，一种驱动蛋白只能朝一个方向运动，如驱动蛋白-1可以沿着微管的正极运动，而另一些驱动蛋白则沿着负极运动，在细胞内起运输作用，比如牵拉染色体，参与有丝分裂、减数分裂和细胞迁移过程。

最近的研究又发现一批与驱动蛋白-1结构相关的蛋白质，它们一起构成驱动蛋白超级家族。这些蛋白质存在于绝大多数真核生物中。它们共有一保守的“马达”域，含有约350氨基酸残基，内有ATP结合位点和微管结合位点。即使在植物中，如拟南芥中，目前也发现了A、B、C和D4种类驱动蛋白。

路途中的火车

纳米火车的出现并不是偶然。如果纳米机器还不能自我复制，那么就不会有纳米火车的出现。任何一项技术的成功都是有一个过程的。我们知道，普通的火车是需要用燃料来推动其运行的。那么，纳米火车又是靠什么来运行的呢？要想使纳米火车能够顺利地运行起来，也是需要给它合适的动力才行的。所有的动物和植物的细胞内都含有一个运输网络，通过这个网络能把生物所需要的原料、生物制造的成品以及它体内所产生的垃圾运送到目的地。那么，是什么在这个网络中充当通道呢？其实，这些通道就是那些被称为微管的蛋白质长杆。负责运输的微小分子就在这些微管中行驶，把化学物质从一个地点拖到另一个地点。人的身体内最长的细胞延伸物——我们的神经纤维中就布满了这样的微管。

普通火车的燃料

在本节的一开始我们就说纳米火车是以神经细胞中的微管片段为车厢、以牛脑细胞中驱动蛋白为引力的一种特殊交通工具。那么，你知道什么是驱动蛋白吗？驱动蛋白是一种细长的蛋白质，这种分子的一端有两条短而粗的“腿”，另一端有两个肥大的“头”，它能够顺着微管“走动”，每走一步，跨出的距离只有8纳米。在走动的时候，他的一条“腿”附着在微管上，另外一条“腿”向前摆动，跨出一小段距离同时缠绕在微管上。一般当驱动蛋白行走时，每个分子所使出的力只有6×10^-9牛那么大。在我们看来这个力非常的微小，然而放在纳米的阶层上来看，这个力已经很大了，大得足以把一根结实的微管折成两段。这也是驱动蛋白之所以能成为纳米火车引擎力的原因。有了驱动力之后，纳米火车就能在微管内随意地游动了。但是，这种随意的游动并不会起到什么关键的作用，因此福格尔就设计了一种能够使纳米火车固定行走的微小轨道。这个轨道是用特氟隆制造而成的，是一条大约高25微米的平行山脊，且山脊的间距大致相同，滑道上平铺的是驱动蛋白分子。有了这个轨道之后，通过显微镜就可以观察到纳米火车在轨道上相互平行地行驶，或者逆向而行，彼此分离。偶尔会有一个火车似乎要切换轨道，转到左边或右边，但随后这些火车又会与其他火车相互平行运动，非常有意思。

驱动蛋白

驱动蛋白二聚体

福格尔

那么，纳米火车是怎么样来工作的呢？福格尔设想的纳米火车工作场景是，在一个货场装载组件，把组件卸到组装地点，然后再回来运送更多的组件。不过，在运送的货物中，可能会用到纳米管。不过，这只是福格尔的设想，离真正的分子组装还有很长的距离。但是，由此可以推断福格尔下一步的工作并不太复杂。如果他根据设想来进行继续研究，那么他首先要证明他的火车能够运送东西。纳米火车运送的第一种东西将是容易看见的微小光珠。因此福格尔希望在一年以后能够看到这些光珠搭载在纳米火车上四处奔驰。

在纳米火车中存在的另一个问题是，它只能沿着轨道往前行，而不能实现倒车。因此，纳米火车在组装方面还需要改进。不仅使它的速度容易控制，而且还要使它像普通的火车那样，容易被操纵。纳米火车的出现将会实现人类废物利用的愿望。但是，目前纳米火车还是人们的一个目标，如果要真正地投入使用，还需要科学家的不断探究。