大肠杆菌、精子细胞、草履虫等通过挥动鞭毛、纤毛 ， 在恶劣的环境中游弋并找寻食物 。 一些科学家也从自然界寻找驱动纳米机器人的灵感 ， 比如 ， 德国开姆尼茨理工大学的纳米科学家奥利弗·施密特领导的团队设计了一种基于精子细胞的混合动力机器人 。 精子是运动得最快的细胞之一 ， 在磁场的引导下 ， 该团队利用精子组装的纳米机器人可以将药物输送到女性生殖道的肿瘤发生部位 ， 论文于2018年发表在纳米材料领域的期刊《ACS Nano》上 。
纳米机器人稳定、自主运动后 ， 如何将这些微型机器人准确“导航”到特定病变部位 ， 有两种思路 。 第一种就像今天无人驾驶汽车的思路 ， 通过算法控制+成像系统来完成 ， 前者负责设计和规划纳米机器人到达目的地的最佳路线 ， 后者则是追踪、定位这些微型机器人的踪迹 。
另外一种思路 ， 则更接近科幻小说 。 哈尔滨工业大学教授贺强介绍 ， 它不依靠外力 ， 而是利用生物学的方法 ， 让这些微型机器人自己找到病变部位 。 比如 ， 就像细菌能依靠特定的信号寻找食物一样 ， 随着生物医学的进步 ， 可以通过病灶部位释放的一些生物化学标志 ， 来“引导”纳米机器人自主前往 。
2004年底 ， 一篇发表在《美国化学学会期刊》上的论文首次报告了人工制备的化学驱动的纳米马达 ， 金铂纳米棒通过催化过氧化氢实现自主运动 ， 被认为是纳米机器人领域的第一篇论文 。
通过人体内的血管 ， 纳米机器人可以游走到身体的不同部位 。 图/IC
2016年 ， 诺贝尔化学奖授予了3位科学家 ， 获奖理由是“分子机器的设计与合成” 。 当时 ， 诺贝尔奖评审委员会指出 ， 目前 ， 分子机器处在概念应用阶段 ， 不过 ， 未来它有望用于更精准的疾病检测、药物输送 ， 超高密度信息存储、能量存储 ， 新材料、传感器等众多领域 ， 应用前景不可限量 。
2008年左右 ， 当贺强开始介入这个方向时 ， 国际上已发表的论文数量大约不到10篇 ， 如今 ， 贺强介绍 ， 国内专门研究纳米机器人的课题组 ， 已经至少超过了50个 。 最早开展纳米机器人研究的华人科学家之一、 乔治亚大学物理系杰出研究教授赵奕平告诉《中国新闻周刊》 ， 据他观察 ， 目前在微纳机器人这个方向 ， 大约有一半的文章是国内学者发表 。
今年1月份的一篇文章中 ， 《华尔街日报》写道 ， 几十年来 ， 计算机科学家和物理学家推测 ， 纳米技术随时都可能彻底重塑我们的生活 ， 推出一波“拯救人类”的发明浪潮 。 “虽然事情并没有像他们预测的那样发展 ， 但纳米技术革命正在悄然进行 。 ”
从2019年开始 ， 贺强说 ， 国家科技部正在将纳米机器人列为纳米医学一个新的、重要的研究方向；而在地方政府中 ， 纳米机器人也被写入官方规划 。 以他所在的黑龙江省为例 ， 在今年3月份印发的《“十四五”生物经济发展规划》中 ， 黑龙江省提出 ， 要大力培育百亿级生物医学工程产业示范基地 ， 包括加快发展纳米机器人、高通量生化分析仪、自动化免疫分析仪等高端医疗设备 。
走向临床前 ， 还有漫长旅程
理论上来说 ， 纳米机器人可以通过静脉注射或口服摄入 ， 在人体内开始一段旅程 ， 消除疾病源头后 ， 安全地自我降解 。
不过 ， 中国科学院分子纳米结构与纳米技术重点实验室研究人员张莹等人在去年年底发表的一篇综述文章中写道 ， 为了满足生物医学应用的实际需求 ， 纳米机器人在生物安全性、驱动、体内导航等诸多方面仍然存在诸多挑战 。
以安全性为例 ， 张莹等人指出 ， 纳米机器人进入体内对生物体造成的可能影响 ， 以及完成任务后如何从体内消除是值得关注的问题 。 选择具有良好生物相容性、生物降解性以及可靠安全的材料是关键 。
在体内导航方面 ， 目前主流的设计是通过成像技术来精确定位与追踪纳米机器人在体内的运动 。 不过 ， 贺强指出 ， 如今最先进的体内成像系统还无法“看见”纳米这个级别的物体 ， 即无法“注视”到单个的纳米机器人 ， 只能通过追踪纳米机器人集群的方式实时定位和路径规划 ， 而且成像的速度也赶不上纳米粒子在血液中运动的速度 。 这方面的突破在未来10年左右是有可能实现的 。
此外 ， 纳米机器人依然有很多尚未解决的困难 。 比如 ， 陶伟指出 ， 人体环境比小动物的体内环境更为复杂 ， 血液里各种各样的蛋白可能会吸附到纳米机器人上 ， “遮蔽”了一些原来的表面靶向或智能设计 ， 使得它们在人体中真正的递送效率还不够高 。 另一个挑战是 ， 免疫系统可能会在它们卸下装载的药物之前 ， 将纳米机器人识别为要消灭的威胁 ， 为解决这个问题 ， 科学家也在研究不会在我们体内引发免疫反应的材料 。
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