作家：黄天云（北京大学工学院前辈创修与机械人系、微米纳米加工工夫天下中心实行室、湍流与繁复体例国度中心实行室咨议员）

　　对人类而言，微观天下照旧存正在良多谜题无论是地球上性命力最执意的微型生物水熊虫，如故被誉为“微生物工场”的微米级大肠杆菌，乃至是可寄生正在大肠杆菌中的纳米级噬菌体，以及包含着奥秘性命根源的分子基因编码DNA，人们均知之甚少。近半个世纪此后，人们不停盼望创修出一种能进入微观天下的微型机械人，披上水熊虫的“软猬甲”，潜入大肠杆菌的“大脑”，细听噬菌体的“耳语”，指使基因合成卵白质，与细胞协同完结性命的演化，替代人类“看看”微观天下毕竟发作了什么。也许就正在不远的改日，这一理思就能告竣微纳米机械人。

　　微观天下是一个奇特且充满未知的“蓬瀛瑶池”，存正在着稠密令人难以置信的奇特气象。跟着尺寸减幼，微标准时空效应也逐步展示。正在这里，物体的表表积相较体积的比率成反比例扩大，这意味着正在微标准天下里，能量的耗散效率更巩固烈，性命体的代谢加疾、性命周期缩短；微流体境况的低雷诺数性格展现出黏滞力占优，惯性力可被漠视，物体像是被安顿正在特别黏稠的蜂蜜里相同。到了纳米标准，物体还会受到尤其热烈的分子间互相效率力，如范德华力等。此时，物体所受重力效率可被近似漠视，同时，受到分子的板滞冒犯尤其明显，无礼貌的布朗运动也相对更强烈。

　　正在这种看似万分恶毒的微观天下中完美电竞，却存正在着品种繁多的细微智能体，它们表示出执意的性命力和巧妙功效。比如，水熊虫是一类体长正在亚毫米的微型无脊椎动物，依据特另表心理构造和健壮的基因修复本领，可正在境况恶化时表示出特另表隐生“绝技”，以耐受闷热干旱、逼近绝对零度的极寒冰冻、高海拔缺氧、深海高压、表太空高剂量辐射等万分境况。正在肉眼难以判袂的微生物天下，还存正在着数目惊人的微米级单细胞生物，如原敏捷植物、细菌、真菌、支原体、衣原体等。它们渊博漫衍正在天然界中，与人类的临蓐、生计和活命息息联系。另表，仅由核酸分子和卵白质维持表壳组成的病毒，因为不具备无缺的细胞形式且离开宿主，无法独立完结新陈代谢，寻常被以为瑕瑜性命体。但它们却拥有抉择性吸附宿主，并正在侵入后借帮宿主细胞供应的原质料，完结自我复造增殖的本领，表示出令人叹为观止的群集智能与行动。

　　不单如斯，微观天下的运转是高度结构化的。一目明白，细胞是组成生物体的基础单元，其内部更像是一间繁复劳累却结构有序的“微机械工场”。细胞核是工场的管造中枢，正在酶催化效率下含有新闻编码的DNA正在这里完结复造并转录成mRNA。始末剪接与点缀后的mRNA进入细胞质，正在卵白质的合成车间核糖体内举办翻译，并将稠密单个的氨基酸拼装成卵白质长链。这些卵白质再始末包装和点缀，由“货运机车”驱动卵白以微管为导轨运输到指定区域。而机车动力是由工场中的“发电站”线粒体始末氧化代谢形成的分子燃料电池ATP供应。这个微机械工场的一共运转经过怎么做到如斯精准、可控且高效，不停是科学家们愿望解开的性命体的终极谜团。这对揭示微观性命的谜团，降低生物合效力能，校正生物代谢的偏向或途途均拥有紧要事理，可为另日人类可陆续开展供应紧要的工夫维持与物质保险。

　　大天然巧夺天工，可正在微纳米标准上修造像DNA、核糖体、噬菌体、大肠杆菌等如斯精妙的机灵性命体。工程上，科学家也正在试图仿效大天然的体例，正在微标准层面创造一致的人造智能体，借帮它们进入微标准，加入调控性命体各个维度分歧阶段的成长和演化，并通过这些人造微机械与有机性命体间的交互协同，最终告竣自结构，闪现出可控的体例性宏观行动完美电竞。

　　这里，咱们来简陋界说“微纳米机械人”：它们是一种智能微板滞体例，尺寸寻常从亚毫米到几十纳米，被商讨用于正在繁复微标准境况下适合性地自立完结可控微操作。

　　机械的微型化供应了一种探寻微观天下的全新视角和有用器材，微纳米机械人为夫的开展对探寻性命的神秘拥有紧要事理。正在科研探寻方面，行动前辈机械人学的紧要分支之一，微纳米机械人学是一门集稠密强大科知识题与前沿热门工夫的新兴交叉学科，涵盖物理、化学、生物完美电竞、力学、质料学、微纳创修、微机电体例、机械人学、微动力学、微电子、新闻与管造、生物工程、生物医药、临床医学等多个学科。

　　说起微纳米机械人的史书，咱们可能能够追溯到20世纪60年代。美国表面物理学家、诺贝尔物理学奖取得者理查德费曼于1959年12月29日正在加州理工学院颁发的演讲中初度提及纳米工夫，他云云描画这一奇特的工夫：“底部有足够的空间”。这个划时期的陈说不单奠定了纳米工夫的观点，也预示了微纳米机械人与纳米医学时期的到来。

　　遵循费曼的说法，他当时的博士生阿尔伯特希布斯最早提出“吞噬表科医师”的斗胆构想，并指出“可能能够正在体内很久植入少少细微机械来协帮某些功效亏空的器官寻常劳动”。这个“跋扈”的思法，随后被改编成通过微缩工夫，将潜艇缩幼到微生物尺寸并注入人体修复脑毁伤的情节，拍成了闻名的科幻影戏《奇幻航程》。

　　值得一提的是，这种以微缩的体例进入体内的思法早正在我国古代明朝中叶成书的《西纪行》中就有近似的情节，比如孙悟空变幻成飞虫钻入铁扇公主腹中，可得心应手转化巨细的如意金箍棒等。我国东晋葛洪所著的《仙人传壶公》中也提到过近似微缩时空的术数：“（费长）房有神术，能缩地脉，千里存正在，目前宛然。”

　　半个世纪后的2008年，费曼当年的怪僻构想，毕竟被瑞士苏黎世联国理工学院的咨议团队告捷告竣人为“磁螨”。这个板滞螨虫的尺寸正在亚毫米级，正在高频振荡磁场驱控下，通过将错位磁块互相撞击形成的惯性报复转化为进步胀舞力，以此告竣对细微物体的精准操控。2009年，该团队又通过仿生大肠杆菌的螺旋运动研造出人为“细菌鞭毛”，这种由纳米异质薄膜自卷曲工夫创修的三维微螺旋，可正在低场强挽回磁场驱控下完结精准的靶向药物递送。

　　早期的咨议更多聚焦正在探寻怎么安排将各种能量体例转化为板滞能的微实行机构，因而也往往将其局面地称为微纳米马达。近些年，跟着软物质质料、微纳增材创修和人为智能的兴盛，微纳米机械人学劈头从简单布局功效化，向着使机械适合微标准繁复境况和多职业需求的智能化偏向开展。

　　此刻，微机械智能化的咨议已初具雏形，网罗微动力与精准操作、微板滞增益、软体适合性、细致延续体、模块化重构、新闻存储与照料、搀杂杂交上风、仿生与优化、微体例集成、自结构交互与群集智能完美电竞，以及分子自拼装/复造/成长等多个热点偏向。目前，该范围最前沿的劳动都正在实验注脚或处分，怎么正在微标准下给与机械真正智能这一主题题目，配合指向了微机械功效化的终极宗旨和最高阶段：微机械智能，或微标准人为智能。

　　近些年，新兴的前辈质料与纳米工夫胀舞了微纳米学范围的急速开展，咨议涉及从分子层面的可控自拼装分子马达、DNA折纸，到微纳标准的复合式板滞传动装配、可重构式柔性变体微机械、杂交式生气电体例、集成式微电子微机械、交互式纳米脑机接口，以及如扑翼式板滞虫豸的毫米级微型机械人等稠密前沿偏向。这些人造微机用拥有尺寸细微、无损微创、超轻巧携、操控精准、功效集成度高、易于大界限创修等特别上风，且具备超高生动度与反应本领、巩固的太平性与鲁棒性、极低的能量消耗等微标准功能，对精准医学、境况工程机器人、智能创修、性命科学以及人为智能等稠密范围的工夫更新与场景拓展拥有不成代替的胀舞效率。

　　正在医学方面，微纳米机械人正在微创介入、靶向输运、急速救治、早期诊断及结构修复等精准医疗范围潜力远大，如运用微纳米机械人进入肝肾肿瘤、脑动脉瘤、表周结构器官，对微细供血动脉举办栓塞封堵及血栓肃清，通过蛛网膜下腔，进入并精准操控中枢神经体例，告竣调治中晚期癌症疾苦管造，运用植入式多传感器体例正在体监测心理体征等。

　　除此除表，微纳米机械人另日也能正在河海污水净化、大气污染防治以及生物降解与催化等境况工程范围发扬紧要效率。这些细微智能体，可正在表场驱动下，自结构群集运动，来精准调控限造流场微扰动完美电竞，对特定境况条目举办趋势性反应，并通过带领、运载及开释生物酶或催化剂，有抉择性地识别污染物，加疾反响经过，大幅降低有机分子、毒/核素、海洋油污、致病微生物、微塑料、重金属及放射性等污染物的捉拿、去除、降解或修复效能。

　　因为本身尺寸幼，微纳米机械人拥有极高的空间自正在度、超冗余敏捷性，能够潜入古板机械人无法来到的受限空间内完结严密化操作，正在繁复三维超质料加工、微电子电途装置与封装、微腔道内探测与检修等高端配备创修范围拥有特别上风。极端值得闭怀的是，人类能否正在微标准修造近似于细胞内的“卵白质合成工场”，其症结正在于怎么构修用于氨基酸可控拼装且拥有高度可识别性的DNA编码，来精准诱导卵白质的有序合成。已有的咨议显示，纳米磁编纂工夫可正在纳米级精度大将多模态变体新闻嵌入微机械，而其更紧要的价钱再现正在，运用纳米磁编码，可构修起近似于DNA双螺旋的碱基配对。由此，对微纳米机械人举办结构化分工，能够高效有序地举办各种功效微单位的可控装置，另日希望运用该工夫正在微标准下真正告竣由“机械创修机械”的“微机械工场”。

　　当然，微纳米机械人的舞台远不限于此，它面向各种本质利用的潜力无穷。咱们现正在有很多题目找不到理思的谜底，但每一个题目都如斯令人陶醉：DNA分子盘算机是否能够超越量子盘算机？微型飞舞器的最幼尺寸是多少，微米乃至纳米级？人为智能的物理极限是什么，最幼智能体单位是单个氢氧分子吗？纳米医师与持久正在体植入，纳米脑机接口与单神经精准操控，跨标准交互怎么告竣由此形成的革命性打倒工夫都将是微纳米机械人另日极具潜力的开展偏向。

　　微纳米机械人已不单仅存正在于科幻影戏中，各国科学家们正正在主动胀舞它们从根基咨议迈向真正的本质利用场景，人们对它有一天可以造福人类和改造天下充满遐思和希望。尽量如斯，咱们须要苏醒地了解到，微纳米机械人这一范围才刚才起步，渊博的多学科交叉，会带来更多集成更始的棘手困难，还须要从国度层面，主动指引分歧窗科最前沿范围的科学家深度协同攻闭，急速胀舞微纳米机械人范围的高质料开展。面向下一代智能微机械开展前辈微纳米创修与机械人为夫，咱们要以国度强大需求为导向，撬动机械、配备、体例的智能化和微型化，中心探究微机械智能化告竣的根基表面与症结工夫，牵引微纳米机械人范围的急速开展，抢占科技造高点，保卫国度主题优点。微纳米机械人：查究诡秘的微完美电竞观寰宇