作者：黃天雲(yun) （北京大學工學院先進製造與(yu) 機器人係、微米納米加工技術全國重點實驗室、湍流與(yu) 複雜係統國家重點實驗室研究員）

　　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(wei) “微生物工廠”的微米級大腸杆菌，甚至是可寄生在大腸杆菌中的納米級噬菌體(ti) ，以及蘊含著神秘生命起源的分子基因編碼DNA，人們(men) 均知之甚少。近半個(ge) 世紀以來，人們(men) 一直渴望製造出一種能進入微觀世界的微型機器人，披上水熊蟲的“軟蝟甲”，潛入大腸杆菌的“大腦”，聆聽噬菌體(ti) 的“私語”，指揮基因合成蛋白質，與(yu) 細胞協同完成生命的演化，代替人類“看看”微觀世界到底發生了什麽(me) 。也許就在不遠的將來，這一願望就能實現——微納米機器人。

　　別有洞天的微觀世界

　　微觀世界是一個(ge) 神奇且充滿未知的“洞天福地”，存在著眾(zhong) 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。在這裏，物體(ti) 的表麵積相較體(ti) 積的比率成反比例增加，這意味著在微尺度世界裏，能量的耗散作用更加劇烈，生命體(ti) 的代謝加快、生命周期縮短；微流體(ti) 環境的低雷諾數特性表現出黏滯力占優(you) ，慣性力可被忽略，物體(ti) 像是被放置在非常黏稠的蜂蜜裏一樣。到了納米尺度，物體(ti) 還會(hui) 受到更加強烈的分子間相互作用力，如範德華力等。此時，物體(ti) 所受重力作用可被近似忽略，同時，受到分子的機械衝(chong) 撞更加顯著，無規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(ti) ，它們(men) 展現出頑強的生命力和奇異功能。例如，水熊蟲是一類體(ti) 長在亞(ya) 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複能力，可在環境惡化時展現出獨特的隱生“絕技”，以耐受酷熱幹旱、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境。在肉眼難以分辨的微生物世界，還存在著數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(ti) 、衣原體(ti) 等。它們(men) 廣泛分布在自然界中，與(yu) 人類的生產(chan) 、生活和生存息息相關(guan) 。此外，僅(jin) 由核酸分子和蛋白質保護外殼構成的病毒，由於(yu) 不具備完整的細胞形態且脫離宿主，無法獨立完成新陳代謝，通常被認為(wei) 是非生命體(ti) 。但它們(men) 卻具有選擇性吸附宿主，並在侵入後借助宿主細胞提供的原材料，完成自我複製增殖的能力，展現出令人歎為(wei) 觀止的群集智能與(yu) 行為(wei) 。

　　不僅(jin) 如此，微觀世界的運行是高度組織化的。眾(zhong) 所周知，細胞是構成生物體(ti) 的基本單位，其內(nei) 部更像是一間複雜繁忙卻組織有序的“微機器工廠”。細胞核是工廠的控製中樞，在酶催化作用下含有信息編碼的DNA在這裏完成複製並轉錄成mRNA。經過剪接與(yu) 修飾後的mRNA進入細胞質，在蛋白質的合成車間——核糖體(ti) 內(nei) 進行翻譯，並將眾(zhong) 多單個(ge) 的氨基酸組裝成蛋白質長鏈。這些蛋白質再經過包裝和修飾，由“貨運機車”驅動蛋白以微管為(wei) 導軌運輸到指定區域。而機車動力是由工廠中的“發電站”線粒體(ti) 經過氧化代謝產(chan) 生的分子燃料電池ATP提供。這個(ge) 微機器工廠的整個(ge) 運行過程如何做到如此精準、可控且高效，一直是科學家們(men) 期望解開的生命體(ti) 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(yi) ，可為(wei) 未來人類可持續發展提供重要的技術支撐與(yu) 物質保障。

　　為(wei) 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(ti) 、噬菌體(ti) 、大腸杆菌等如此精妙的智慧生命體(ti) 。工程上，科學家也在試圖模仿大自然的方式，在微尺度層麵創造相似的人造智能體(ti) ，借助它們(men) 進入微尺度，參與(yu) 調控生命體(ti) 各個(ge) 維度不同階段的生長和演化，並通過這些人造微機器與(yu) 有機生命體(ti) 間的交互協同，最終實現自組織，湧現出可控的係統性宏觀行為(wei) 。

　　這裏，我們(men) 來粗略定義(yi) “微納米機器人”：它們(men) 是一種智能微機械係統，尺寸通常從(cong) 亞(ya) 毫米到幾十納米，被考慮用於(yu) 在複雜微尺度環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展對探索生命的奧秘具有重要意義(yi) 。在科研探索方麵，作為(wei) 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(zhong) 多重大科學問題與(yu) 前沿熱點技術的新興(xing) 交叉學科，涵蓋物理、化學、生物、力學、材料學、微納製造、微機電係統、機器人學、微動力學、微電子、信息與(yu) 控製、生物工程、生物醫藥、臨(lin) 床醫學等多個(ge) 學科。

　　說起微納米機器人的曆史，我們(men) 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·費曼於(yu) 1959年12月29日在加州理工學院發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(ge) 劃時代的論述不僅(jin) 奠定了納米技術的概念，也預示了微納米機器人與(yu) 納米醫學時代的到來。

　　根據費曼的說法，他當時的博士生阿爾伯特·希布斯最早提出“吞噬外科醫生”的大膽構想，並指出“或許可以在體(ti) 內(nei) 永久植入一些微小機器來協助某些功能不足的器官正常工作”。這個(ge) “瘋狂”的想法，隨後被改編成通過微縮技術，將潛艇縮小到微生物尺寸並注入人體(ti) 修複腦損傷(shang) 的情節，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(ti) 內(nei) 的想法早在我國古代明朝中葉成書(shu) 的《西遊記》中就有類似的情節，例如孫悟空幻化成飛蟲鑽入鐵扇公主腹中，可隨心所欲變化大小的如意金箍棒等。我國東(dong) 晉葛洪所著的《神仙傳(chuan) ·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，千裏存在，目前宛然。”

　　半個(ge) 世紀後的2008年，費曼當年的奇妙構想，終於(yu) 被瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊成功實現——人工“磁蟎”。這個(ge) 機械蟎蟲的尺寸在亞(ya) 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(chan) 生的慣性衝(chong) 擊轉化為(wei) 前進推動力，以此實現對微小物體(ti) 的精準操控。2009年，該團隊又通過仿生大腸杆菌的螺旋運動研製出人工“細菌鞭毛”，這種由納米異質薄膜自卷曲技術製造的三維微螺旋，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(wei) 機械能的微執行機構，因此也經常將其形象地稱為(wei) 微納米馬達。近些年，隨著軟物質材料、微納增材製造和人工智能的興(xing) 起，微納米機器人學開始從(cong) 單一結構功能化，向著使機器適應微尺度複雜環境和多任務需求的智能化方向發展。

　　如今，微機器智能化的研究已初具雛形，包括微動力與(yu) 精準操作、微機械增益、軟體(ti) 適應性、柔順連續體(ti) 、模塊化重構、信息存儲(chu) 與(yu) 處理、混合雜交優(you) 勢、仿生與(yu) 優(you) 化、微係統集成、自組織交互與(yu) 群集智能，以及分子自組裝/複製/生長等多個(ge) 熱門方向。目前，該領域最前沿的工作都在嚐試解釋或解決(jue) ，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(xing) 的先進材料與(yu) 納米技術推動了微納米學領域的快速發展，研究涉及從(cong) 分子層麵的可控自組裝分子馬達、DNA折紙，到微納尺度的複合式機械傳(chuan) 動裝置、可重構式柔性變體(ti) 微機器、雜交式生機電係統、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(zhong) 多前沿方向。這些人造微機器具有尺寸微小、無損微創、超輕便攜、操控精準、功能集成度高、易於(yu) 大規模製造等獨特優(you) 勢，且具備超高靈敏度與(yu) 響應能力、增強的穩定性與(yu) 魯棒性、極低的能量耗損等微尺度性能，對精準醫學、環境工程、智能製造、生命科學以及人工智能等眾(zhong) 多領域的技術革新與(yu) 場景拓展具有不可替代的推動作用。

　　在醫學方麵，微納米機器人在微創介入、靶向輸運、快速救治、早期診斷及組織修複等精準醫療領域潛力巨大，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，通過蛛網膜下腔，進入並精準操控中樞神經係統，實現治療中晚期癌症疼痛控製，利用植入式多傳(chuan) 感器係統在體(ti) 監測生理體(ti) 征等。

　　除此之外，微納米機器人未來也能在河海汙水淨化、大氣汙染防治以及生物降解與(yu) 催化等環境工程領域發揮重要作用。這些微小智能體(ti) ，可在外場驅動下，自組織群集運動，來精準調控局部流場微擾動，對特定環境條件進行趨向性響應，並通過攜帶、運載及釋放生物酶或催化劑，有選擇性地識別汙染物，加快反應進程，大幅提高有機分子、毒/核素、海洋油汙、致病微生物、微塑料、重金屬及放射性等汙染物的捕獲、去除、降解或修複效率。

　　由於(yu) 自身尺寸小，微納米機器人具有極高的空間自由度、超冗餘(yu) 靈巧性，可以潛入傳(chuan) 統機器人無法到達的受限空間內(nei) 完成精細化操作，在複雜三維超材料加工、微電子電路裝配與(yu) 封裝、微腔道內(nei) 探測與(yu) 檢修等高端裝備製造領域具有獨特優(you) 勢。特別值得關(guan) 注的是，人類能否在微尺度建造類似於(yu) 細胞內(nei) 的“蛋白質合成工廠”，其關(guan) 鍵在於(yu) 如何構建用於(yu) 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變體(ti) 信息嵌入微機器，而其更重要的價(jia) 值體(ti) 現在，利用納米磁編碼，可構建起類似於(yu) 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由“機器製造機器”的“微機器工廠”。

　　當然，微納米機器人的舞台遠不限於(yu) 此，它麵向各類實際應用的潛力無限。我們(men) 現在有許多問題找不到理想的答案，但每一個(ge) 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麽(me) ，最小智能體(ti) 單元是單個(ge) 氫氧分子嗎？納米醫生與(yu) 長期在體(ti) 植入，納米腦機接口與(yu) 單神經精準操控，跨尺度交互如何實現……由此產(chan) 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展方向。

　　微納米機器人已不僅(jin) 僅(jin) 存在於(yu) 科幻電影中，各國科學家們(men) 正在積極推動它們(men) 從(cong) 基礎研究邁向真正的實際應用場景，人們(men) 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(men) 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(hui) 帶來更多集成創新的棘手難題，還需要從(cong) 國家層麵，積極引導不同學科最前沿領域的科學家深度協同攻關(guan) ，快速推動微納米機器人領域的高質量發展。麵向下一代智能微機器發展先進微納米製造與(yu) 機器人技術，我們(men) 要以國家重大需求為(wei) 導向，撬動機器、裝備、係統的智能化和微型化，重點探究微機器智能化實現的基礎理論與(yu) 關(guan) 鍵技術，牽引微納米機器人領域的快速發展，搶占科技製高點，維護國家核心利益。

　　《光明日報》（2023年11月16日 16版）