電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李彎彎）納米機(jī)器人是指體積在納米級別（1-100納米）的微型機(jī)器人，其研制屬于分子仿生學(xué)的范疇。這一概念最早由諾貝爾物理學(xué)獎得主理查德·費(fèi)曼在1959年提出，他在《微觀世界有無垠的空間》的演講中首次構(gòu)想了分子大小的微型機(jī)器，認(rèn)為人類可以在底層空間構(gòu)建物質(zhì)。費(fèi)曼的設(shè)想為納米機(jī)器人研究奠定了理論基礎(chǔ)，其核心在于通過分子自組裝實(shí)現(xiàn)納米級操作。

從技術(shù)分類看，納米機(jī)器人分為兩類：一類是體積為納米級的實(shí)體機(jī)器人，另一類是用于納米級操作的裝置（如掃描隧道顯微鏡STM和原子力顯微鏡AFM）。受限于技術(shù)水平，真正意義上的納米級可控機(jī)器人尚未實(shí)現(xiàn)，但用于納米操作的裝置已廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

全球納米機(jī)器人研究進(jìn)展

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米機(jī)器人展現(xiàn)出革命性潛力。2022年，國家納米科學(xué)中心聶廣軍團(tuán)隊與美國亞利桑那州立大學(xué)合作，研制出用于腫瘤治療的智能型DNA納米機(jī)器人。該機(jī)器人通過特異性DNA適配體功能化，可精準(zhǔn)定位腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞，并在乳腺癌、黑色素瘤等模型中驗證了凝血酶誘導(dǎo)栓塞的療效。其工作原理是通過裝載凝血酶，在腫瘤位點(diǎn)釋放藥物，激活凝血功能，誘導(dǎo)腫瘤血管栓塞和組織壞死。

2025年，德國慕尼黑大學(xué)、埃默里大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院組成的研究團(tuán)隊，成功開發(fā)出一款基于可重構(gòu)DNA折紙陣列的新型自主納米機(jī)器人。該納米機(jī)器人可被預(yù)編程，并能將能量以分子應(yīng)變形式存儲在DNA結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)無需外部供能的自主運(yùn)行。

該納米機(jī)器人的核心是互聯(lián)的雙態(tài)DNA單元網(wǎng)絡(luò)，每個連接點(diǎn)可獨(dú)立編程為特定功能模塊，類似硬件，而通過序列設(shè)計實(shí)現(xiàn)的信號傳遞、能量存儲則為軟件層。這種設(shè)計突破了傳統(tǒng)DNA折紙系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)雙態(tài)運(yùn)行的局限，支持多狀態(tài)硬件擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯運(yùn)算。該納米機(jī)器人有望在未來醫(yī)療診斷等實(shí)際應(yīng)用發(fā)揮作用。

在工業(yè)領(lǐng)域，納米機(jī)器人正推動制造精度革命。中國科學(xué)院寧波材料所周峰團(tuán)隊研發(fā)的三維DNA工業(yè)納米機(jī)器人，通過可折疊支架結(jié)構(gòu)和多重響應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)了納米零件的精準(zhǔn)焊接與自我復(fù)制。該機(jī)器人大小約100納米，可利用溫度和紫外線操控納米零件，制造出具有光學(xué)特性的手性納米材料，未來在蛋白質(zhì)、磷脂膜等生物材料制備中潛力巨大。


環(huán)境領(lǐng)域同樣受益。納米機(jī)器人可用于水體凈化、污染物降解及土壤監(jiān)測。例如，通過部署攜帶傳感器的納米機(jī)器人，可實(shí)時檢測水體中的重金屬離子和化學(xué)污染物，為環(huán)境保護(hù)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。

我國納米機(jī)器人的研究突破

2021年，中科院上海微系統(tǒng)所陶虎團(tuán)隊聯(lián)合上海交大，利用蜘蛛絲蛋白研制出納米機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了14納米加工精度。該技術(shù)通過基因重組蜘蛛絲蛋白光刻膠，將3D打印精度從百納米級提升至14納米，逼近天然絲蛋白分子尺寸的極限。蜘蛛絲蛋白具有高強(qiáng)度、抗菌性和生物相容性，可降解且不會對人體造成負(fù)擔(dān)。研發(fā)團(tuán)隊將納米機(jī)器人設(shè)計為“小魚”形象，以葡萄糖為生物燃料，通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)定向移動，未來可用于藥物精準(zhǔn)遞送和體內(nèi)巡邏。

2023年，武漢理工大學(xué)官建國團(tuán)隊研發(fā)的磁驅(qū)溶栓納米機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了無需外科手術(shù)的4小時內(nèi)精準(zhǔn)溶解血栓。該機(jī)器人由超順磁納米粒子構(gòu)成，表面修飾類肝素分子刷，賦予其高分散性和抗凝血能力。通過交變磁場作用，粒子可逆組裝成棒狀集群，沿血管導(dǎo)航至血栓部位，協(xié)同機(jī)械力與溶栓藥物（如t-PA）高效分解纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)。動物實(shí)驗顯示，該技術(shù)未引發(fā)顯著器官損傷或炎癥反應(yīng)，溶血率低于5%，突破了傳統(tǒng)溶栓藥物易致出血的局限。

我國通過職務(wù)科技成果賦權(quán)改革，加速納米機(jī)器人從實(shí)驗室到臨床的轉(zhuǎn)化。例如，國家納米科學(xué)中心聶廣軍團(tuán)隊的研究成果，通過賦予科研人員科技成果10年長期使用權(quán)，成立了科技創(chuàng)新企業(yè)，推動納米機(jī)器人的量產(chǎn)和質(zhì)控研究。目前，該團(tuán)隊正準(zhǔn)備將可注射治病納米機(jī)器人推向臨床應(yīng)用，這類機(jī)器人僅細(xì)胞大小的1/100，可在體外組裝后注射到體內(nèi)，主動找到腫瘤病灶進(jìn)行治療，并在治療結(jié)束后降解排出體外。

產(chǎn)業(yè)化布局方面，2020年，國內(nèi)首家醫(yī)學(xué)智能納米機(jī)器人研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化公司——君全智藥成立，標(biāo)志著我國納米機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化邁出重要一步。該公司由國家納米科學(xué)中心研究員史權(quán)威擔(dān)任總經(jīng)理，聶廣軍教授擔(dān)任首席科學(xué)家，已建立DNA納米技術(shù)生產(chǎn)工藝開發(fā)與質(zhì)量研究功能的實(shí)驗室，并完成多種2D、3D DNA納米結(jié)構(gòu)的批量制備工藝開發(fā)。

盡管取得顯著進(jìn)展，納米機(jī)器人仍面臨效率、成本和生物安全性等挑戰(zhàn)。例如，DNA納米機(jī)器人的組裝效率約30-50%，單體制備成本超萬元/毫克，且體內(nèi)代謝路徑不明確。此外，醫(yī)療合規(guī)壁壘（如三類醫(yī)療器械認(rèn)證周期長達(dá)3-5年）和技術(shù)迭代風(fēng)險也是產(chǎn)業(yè)化必須克服的障礙。

未來，納米機(jī)器人將向多學(xué)科融合與智能化升級方向發(fā)展。通過深度學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃算法，手術(shù)機(jī)器人的操作誤差可從微米級降至納米級，臨床成功率提升至98%。新材料如石墨烯的應(yīng)用，將推動微納機(jī)器人向自主決策升級。同時，AI與納米機(jī)器人的融合，可實(shí)現(xiàn)個性化治療模型和癌癥早篩預(yù)防。

結(jié)語

從理查德·費(fèi)曼的構(gòu)想到DNA納米機(jī)器人的精準(zhǔn)醫(yī)療，從磁驅(qū)溶栓技術(shù)的臨床突破到蜘蛛絲蛋白光刻工藝的創(chuàng)新，納米機(jī)器人不斷突破。未來，隨著材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和控制理論的協(xié)同發(fā)展，納米機(jī)器人有望在個性化醫(yī)療、精準(zhǔn)制造和環(huán)境治理等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。