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从精密制造到改变生命,被低估的纳米机器人

来源:3D科学谷 编辑:机器人之家 时间:2022-08-03

        当前,随着人们更深入地探索由分子和纳米粒子构成的表层量子宇宙,科技的发展正朝着微观世界延伸而去,并重新想象各种可能性。许多人可能并没有意识到,纳米技术已经在为我们生产各种日用品了。现在的很多防晒霜就含有纳米粒子,它们可以帮助吸收危险的紫外线,另外,纳米粒子还可以更平滑地覆盖在人体皮肤表面。类似的纳米粒子还被使用在食品的包装上,以减少紫外线对食品的照射,从而延长食品的保质期。有些用于碳酸饮料的塑料瓶现在也含有纳米黏土,而这种材料可以让碳酸饮料的保质期延长数月之久。当然,纳米技术的意义远不止于此。

       基于纳米技术的纳米机器人正在拓宽人类物质世界的边界,并且以很多种不同的方式重塑制造、医疗等领域的概念,带来可以颠覆未来的想像。

Na_Robort_1纳米机器人
© 未来科技谈

block 3D打印赋能纳米机器人制造

      3D打印是根据产品的数字特征,逐层制造产品的技术。制造时先铺设一层超薄的底层材料,然后层层香加,直到形成完整的立体产品。当然,3D打印不仅限于对消费者进行扫描,然后制作成可以放在婚礼蛋糕上或者共他任何地方的玩偶,尽管这看上去非常新潮。

      更重要的是,3D打印作为先进制造技术,是未来制造的必经之路,其颠覆效果至少不低于20 世纪的流水线生产。比如,在医学领域,3D打印能够为患者制造钛合金下颚,包括与真实颌骨相连接的铰接关节,可以容纳静脉和神经再生的凹槽等。3D打印在假肢制造也具有无可比拟的优势。

        使用3D打印的另一个例子则是制造原型产品,比如,在风洞中进行测试的飞机原型。3D打印之所以被广泛用于原型生产,而不是后线的大规模生产的一个原因是,原型生产更强调灵活性,而大规模生产则更强调效率。在生产效率方面,3D打印暂时还无法与传统的制造方法相比。

与此同时,另一个横亘在3D打印技术前的障碍,就是3D打印技术的精度问题。不可否认,3D打印许诺了人们一个美好的制造前景。未来,当我们想要购买时,或许,我们只需要收到一份该产品的数字设计图文件,然后只要将该文件输人我们自己的便携式多功能 3D打印机,就可以快速将它生产出来。但不可忽略的因素是,3D打印的精度,决定了最终产品的质量。

当然,现在的3D打印设备所使用的原材料范围非常有限,并且其精度对很多应用来说都不够。通用3D打印技术的发展只有达到纳米技术领域,即以原子或分子的精度操控物质,或者是在操控物质时,其某一个空问的维度至多延伸100纳米,才能够满足原子级的精确制造。

而从3D打印机到原子精确制造,精度上将有一个非常大的跨度。比如,制造下颚的先进 3D 打印机,其打印的每层厚度约为30微米,相当于100000层原子的厚度,因此,要想每次只控制一层原子,意味着精度要提高100000倍。

对于未来制造而言,一个不可回避的问题是,人类最终能实现哪种程度上的原子精确制造?而人们把这个问题聚焦于纳米层面的原因在于,纳米尺度要比显微尺度小1 000倍,并且比我们每天体验到的米级尺度的世界小10亿倍。这与我们所知的宏观世界截然不同,纳米是一个度量微观世界的长度单位,纳米特殊的长度,也赋予了纳米特殊的性质。

而要想实现高精度的原子精确制造,其中的一个可行性,就是纳米机器人——纳米机器人的手臂,可以把分子片段或单个原子输送并安置到指定位置,其中的关键就是机器人手臂尖端的化学性质。

不过,对于原子精确制造在生物学之外的可行性,纳米技术专家们则有不同的观点。美国国家科学院2006年的一份报告表达了这种不确定性:

“如今,尽管可以从理论上计算,但是还不能可靠地预测化学反应最终可达到的周期范围、错误率、反应速度,以及这种自下而上的制造系统中的热力学效率。因此,虽然可以从理论上计算所制造产品的完美性和复杂性,但还不能准确地预测实际产品性能。”

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block 改变生命的可能

除了在精度制造领域有所作为,纳米机器人更具有前景的应用,则表现在医疗领域——实际上,人体才是这个世界上最为精密的机器。

在人体中只有43%的细胞是人体细胞,而其他细胞都是极其微小的“殖民者”,这些细胞包括数以万亿计的细菌、病毒、霉菌以及古生菌。这也给纳米机器人提供了一个广阔的用武之地。显然,在这些除了人体细胞之外的微生物中,再添加数百万个纳米机器人并不是一件不可能实现的事情,更何况纳米机器人还能够改善我们的生活和健康状况。

其中,一个科学家们已经在跟进的研究是,把大量纳米机器人放进人类的血液里。美国物理学家罗伯特·弗雷塔斯就是这项研究的最重要的前瞻人物和倡导者之一。弗雷塔斯认为,老年化是一种可治愈的疾病,而通过纳米机器人,或许很快就能治愈衰老:“虽然我们今天还不能制造这样的微型机器人,但到 21 世纪20年代或许可以造出来。”

现代医学已经给出了明确的结论,衰老是由于 “基因组不稳定、端粒损耗、表观遗传改变、蛋白质抑制失调、营养素感应失调、线粒体功能障碍细胞衰老、千细胞耗尽、细胞间通信变化” 等引发的人体大分子、细胞和组织的积累性损伤。按照弗雷塔斯的说法,所有这些损伤都可以用纳米机器人修复。

纳米机器人将能够穿越血液,然后进入或接近细胞,执行各项任务,如清除毒素,清扫细胞碎片,纠正DNA 错误,修复和恢复细胞膜,逆转动脉粥样硬化,调节激素、神经递质和其他代谢物的水平,以及其他许多任务。

另外,在未来,纳米机器人或许还能够扫描大脑,包括用来研究大脑的功能,实现对大脑的逆向工程,制造广义人工智能,最终再把人类的思维上传到计算机中。《奇点临近》的作者库兹韦尔就在书里这样展望:数十亿个纳米机器人可以穿过大脑中的每一根毛细血管,近距离扫描每个相关的神经特征。纳米机器人还将使用高速无线通信彼此联络,并与计算机相连接,根据扫描数据编制数据库。

不过,就当前来说,一项更加贴近现实的纳米机器人应用,则是利用纳米机器人来摆脱癌症。亚利桑那州立大学的科学家就采用“DNA折纸术”设计了一队纳米机器人来寻找和消灭癌症肿瘤,同时确保健康细胞不受损伤。这些纳米机器人通过瞄准肿瘤的血液供应、阻断血液的流动来发挥作用。因为所有的肿瘤都需要血液才能够存活下来,因此,这项技术也具有治疗多种不同癌症的潜力。

研究人员认为,将多种不同的经过合理设计的纳米机器人混合在一起,然后再让它们携带不同的药剂,或许可以帮助达成癌症研究的最终目标,即根除实体瘤,消灭肿瘤的血管浸润转移。

不过,将一队纳米机器人注入血管是一回事,而将它们引导到正确的位置就是另一回事了。在普渡大学,研究人员率先尝试了使用超声波和磁场来引导这些微型机器人。这种做法不仅可以为纳米马达提供动力,还可以引导它们在人体内部走向正确的位置,只有到了正确的位置它们才有可能参与对癌症进行治疗、在指定的位置供药,或者绘制出人类大脑的具体结构。

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block 对纳米机器人的担忧

       从纳米机器人的优势角度来看,库兹韦尔的说法是:“我们血液中的智能纳米机器人会保护我们的细胞和分子,进而维持我们的健康。这种纳米机器人还会通过毛细血管进入大脑,并与我们的生物神经元互动,直接扩展我们的智力。基于加速回报定律,在未来的30年间,这些技术的功能会比现在强大十亿倍。”

       但凡事都具有两面性,正如人们对人工智能的担忧一样,纳米机器人也可能失控——能够吞噬斑块、摧毁癌细胞并杀死细菌的纳米机器人也有可能会犯错,敌我不分地开始吞噬我们的身体。另一种的担忧,则是对纳米机器人的增长速度超出控制的担忧。究其原因,最可能用来制造纳米机器人的原料是碳,因为它具有独特而灵活的化学特性。由于同样的原因,碳也是生物有机体中的主要成分,这使得它有可能成为自我复制纳米机器人的理想原料,用来生产更多的纳米机器人。逃出人类实验室控制的纳水机器人,可能会在数周内就消耗掉整个生物圈。

       这种假设性的场景导致人们提出所谓的“灰色末日”理论。这将是一个灾难性的场景,可以自我复制的纳米机器人在失去控制后逐渐消耗完地球上所有的生物物质,并将每一种活的生物体都转变成了一堆灰色的糨糊。《瘟疫年》这本小说就描写了失控的纳米技术通过传染的方式吞噬了居住在10000英尺高空以下的所有温血生物。这迫使剩下的人类逃往了更高的楼层,并在那里挣扎求存。

      当然,这是最为悲观的担忧,而还有一种中间立场提供了避免“灰色末日”出现的可能。一方面,只要人类遵守某种安全协议,就可以继续开发纳米机器人技术;另一方面,如果我们忽视这些预防措施,它就很有可能变成真正的危险。

      而对于如何让纳米机器人以受控、 安全的方式进行自我复制中,一个关键的看法是,一个物体(无论是生物体还是机器人)的自我复制能力总是与其所处的环境密切相关。即使是一套铁匠的工具,也可以在适当的环境下打造出一套一模一样的新工具,这也可以被描述为自我复制。自我复制永远需要原材料和能量的供应。因此,如果我们构建的自我复制机器中,包含某些自然环境中不具备的材料,就可以避免纳米机器人的复制失控。

     当前,通过在最微观的层次上掌控物质世界的组成模块,我们正在重塑我们周围的一切。事实是,未来的某一天我们或许会变得非常依赖这种技术,因为人类的扩张欲望将会继续推动人们向内沉入这个由亚原子主导的领域,同时更进一步地向外深入未知的宇宙。而当人们在这两个方向上走得越远时,或许也将会越清醒地认识到人类的渺小和宇宙的浩瀚。

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