生物纳米马达研究论文

[摘要]随着纳米科技的不断发展，产生了纳米机器人技术。纳米机器人涉及分子仿生学和电子控制技术的范围，以分子水平的生物学原理来设计研制出可对纳米空间级进行操作的“功能分子器件”，研发出能操控生物分子的纳米级结构，突破了传统机器结构的限制。纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点，具有较强的创新性和前瞻性，备受世人瞩目，具有广泛的应用前景。下面是小编为大家整理的《生物纳米马达研究论文(精选3篇)》仅供参考，希望能够帮助到大家。

生物纳米马达研究论文 篇1：

纳米机器

摘 要:本文介绍了分子马达的研究现状,并对它的研究前景进行了展望,更充分地说明了研究分子马达的机制对我们的重要性。

关键词:分子马达纳米机器

1 序言

近些年,随着光钳技术、分子遗传学方法、X射线晶体结构分析以及显微成像等实验方法应用于分子生物学领域,人们对于分子马达的结构及动力学行为的认识有了长足的进展,也使直接研究和操纵单个分子马达成为可能。实验中观测到的分子马达一般在几万到几十万道尔顿,因此分子马达通常被看作布朗粒子,也被称作纳米粒子。在纳米技术的萌芽阶段,科学家已经制造了很多微型器件,但是要实现纳米机器的设想,动力系统是个关键部分,否则工艺再精确,人们也不可能制作出纳米数量级的机械动力系统,因此人们寄希望于分子马达为纳米器件提供动力,如果这个设想可以实现的话,那么分子马达就可以为纳米器件提供能量来源。

2 分子马达的研究现状及前景

日本一研究小组利用分子马达开发出一种新技术,可以将微小颗粒经由生物芯片上的微细通道运送到指定地点,这一技术又称为“分子快递”技术。日本东京大学生产技术研究所藤田博之教授等组成的研究小组研制开发了这一技术。研究人员在生物芯片上设置宽0.5mm、长30mm的通道,并在里面铺设好微管“铁轨”。将用荧光物质标记的直径为0.32μm的微粒附着到驱动蛋白上后放入通道,研究人员观察到微粒以每秒1微米的速度沿“铁轨”运动。利用“分子快递”技术,可以将微小颗粒高效精确地搬运到目的地。这种“分子快递”技术将来可促进特定蛋白质和其他化学物质在芯片上发生高效反应。

宾夕法尼亚大学医学院肌肉研究所Yale Goldman博士的实验室和Erika Holzbaur 实验室的研究人员发表了一组论文,这些论文综合起来证实了一种充当分子马达的蛋白质惊人地灵巧,并能在细胞内轻巧地越过障碍物。利用一种能够一次观察一个大分子的活动的特殊显微镜,研究组发现一种蛋白质马达能够沿着微管来回移动,而不是像之前推测的那样朝一个方向运动。这两种运动蛋白dynein和dynactin是细胞的长途货车,它们能够合作从细胞外围将分子货物运送到细胞核。Holzbaur实验室发文章说他们发现dynactin的一种突变能导致运动神經元的降解——运动神经元疾病的标志。这种突变使dynein-dynactin马达在细胞中运送“废物”的效率降低,并造成细胞中错误折叠的蛋白质的累积,从而导致神经元退化的发生。这些观察结果将有助于更好地治疗运动神经元疾病。

由美国佛罗里达大学化学系华裔科学家谭蔚泓教授领导的一个研究小组,研制出了一种新型的由光子驱动的“分子纳米马达”,这种单分子马达将光能高效率地转变成机械力,不仅能将光能的利用率从过去的10%提高到25%以上,还没有人们所忧虑的在其过程中所产生的环境污染问题。在紫外可见光的照射下,这个单分子纳米马达可以达到40%～50%的开关转换效率,同时,在常温常压下,纳米马达就表现出良好的、规整的可控性,并具有无废料排除的特性。与其他多组分的DNA纳米马达相比,这种单分子马达由于其单组分特性,分子运动主要受独特的分子内相互作用的影响,从而可以减少分子间作用力的干涉,并表现为浓度非依赖性。若把这种马达用来吸收太阳能,相比传统的太阳能电池,能更有效地利用太阳能,目前主要的困难在于如何把这些马达由阳光照射所产生的分子级动力累积在一起,输出可用的动力,并且纳米马达产生的动力与其尺寸有关,纳米马达尺寸很小,目前这项技术离实用还有很远的距离。如果要用这种马达来驱动汽车或其他大型设备,需要把大量的纳米马达装配在一起,目前尚有困难。

纳米器件要投入使用,离不开能量的传递,也就是说需要分子数量级的微小马达。DNA(脱氧核糖核酸)是生物遗传物质的载体。DNA分子马达的优点是可以直接将生物体的生物化学能转换成机械能,而不像通常意义上的马达需要电力。因此,从理论上说,DNA分子马达可以借助一些生物化学变化而进行药物和基因等的传递,比如说,将药物分子直接输送至癌细胞的细胞膜。人们已经利用多个DNA分子制造出了分子马达,但这些马达存在着效率不高、难以控制的缺陷,与多分子DNA马达相比,单DNA分子马达应用起来更为方便,两位旅美中国学者在分子马达研究领域取得新的突破,首次利用单个DNA分子制成了分子马达,这种分子马达在一种生物环境中处于紧凑状态,但在生物环境发生变化后,又会变得松弛。实验证实,采用这一原理制造出的单DNA分子马达具有非常强的工作能力,可以像一条虫子一样伸展和卷曲,实现生物反应能向机械能的转变。采用人工合成的单DNA分子来制造分子马达还有一个好处,即可以根据不同要求而有针对性地设计出DNA分子,使制造出的马达具备各种性能,这些马达可以有不同的效率,可以设计成有很大的做功能力,也可以设计成能把物体搬运到更远的距离。现在还很难预测分子量级的马达什么时候能真正投入实用,下一步目标是要让单DNA分子马达真正移动一个微小物体,并进一步提高其工作效率。

分子马达既然能把生物能转化为机械能,一旦被人类完美地控制,就可以完全充当纳米机器人的发动机。也可以把分子马达看成一个简单的纳米机器人,像一种长了两条“腿”的肌球蛋白分子马达,可以做线性推进运动,在人体内,它的一大作用是在细胞内搬运小泡等物质,理论上,如果再给它装个筐,它也能运我们想运的东西。美国康乃尔大学纳米生物科技研究小组,已成功地制造出与病毒大小差不多的分子马达。该生物分子马达是以200nm长、80nm直径宽的金属镍为轴,并以分子(F1 Adenosine triphosphate synthase 称为F1腺嘌呤核甘三磷酸合成酶素)作为马达,而以长750nm、直径为150nm的镍作为螺旋桨。据研究人员的观察,该分子马达被浸泡至ATP溶液中后,利用生物分子细胞内的化学反应,以ATP作为能源,每秒转速可达8圈,并可连续转动2.5h。像这样的微型分子马达可当作是纳米机器人或其它纳米组件零件的一部分,它的潜在应用价值是非常之大的。也许,将来利用该马达所做成的潜艇就可进入人类的血管之中,不必籍由传统的开刀方式,即可清除脑血管中的血块,清理血管壁上的沉积物质,以排除中风的危险。

当分子马达技术足够成熟时,这一技术还可以为病毒检测提供新的途径,分子马达自重加大,转速就会变慢,如果寻找到办法能够使某一种病毒与分子马达特异性结合,根据这一原理,通过观察分子马达的转速就可以判断是否沾染病毒,从而检测出机体是否被病毒感染。例如唐氏综合症就是由于卵子细胞内的染色体分裂不正确而导致的,被认为与驱动蛋白的缺陷有关,如果能找到一种激活驱动蛋白的方法,就能治疗这类疾病了。

3 结语

科学家们正在使用更加先进的光钳以及光学探测器技术,来探索分子马达的更多秘密。目前利用光钳技术[1]在体外无损的情况下直接观测单个分子马达的运动,得到了许多重要的结果[2,3],与此同时,理论研究也成为分子生物学和统计物理研究中的热点之一[4,5]。基于分子马达对人类发展的重要性,我们正在致力于研究它的神秘能量转化机制,以便更大可能地把它应用于我们的生活中去。

参考文献

[1] A.Ashkin,Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,1997,94:4853-4860.

[2] J.T.Finer, et al, Single myosin molecule mechanics:piconewton forces and nanometer seteps[J],Nature,1994,368:113-119.

[3] K.Svoboda,et al,Direct observation of kinesin stepping by optical trappinginterferometry[J],Nature,1993,365: 721-727.

[4] P.Reimann,et al,Flux of particles in sawtooth media,Phys.Rev.Lett.1997,79:3335-3338.

[5] T.Duke and S.Leibler, Motor protein mechanics:A stochastic model with minimal mechano-chemical coupling, Biophys.J,1996,71:1235-1247.

作者：赵阿可 赵建果

生物纳米马达研究论文 篇2：

纳米机器人及其发展研究

[摘 要]随着纳米科技的不断发展，产生了纳米机器人技术。纳米机器人涉及分子仿生学和电子控制技术的范围，以分子水平的生物学原理来设计研制出可对纳米空间级进行操作的“功能分子器件”，研发出能操控生物分子的纳米级结构，突破了传统机器结构的限制。纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点，具有较强的创新性和前瞻性，备受世人瞩目，具有广泛的应用前景。

[关键词]纳米机器人；纳米科技；生物医学

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.32.068

随着纳米科技的不断发展，产生了纳米机器人技术，研制可编程的纳米机器人。纳米机器人涉及分子仿生学和电子控制技术的范围，以分子水平的生物学原理来设计研制出可对纳米空间级进行操作的“功能分子器件”，研发出能操控生物分子的纳米级结构，突破了传统机器结构的限制，纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点，具有较强的创新性和前瞻性，备受世人瞩目，具有广泛的应用前景。

1 国内外研究现状

近年来，国内外对纳米机器人的研究越来越热，并取得了一定的进展，部分国家已经研制出纳米机器人的样机。美国在纳米机器人的设计和研究领域处于世界领先水平。纽约大学的科学家研制出一个双足分子机器人，该机器人可以运送原子，可以作为精密医学的工具。加利福尼亚大学的科学家研制出一种能够凭借自身生长的肌肉行走的微型机器。科学家将鼠心肌细胞附着在约200μm长的硅制框架上，这些心肌细胞在接近自然状况的培养环境中生长分裂，长成了约100μm的肌肉，这些肌肉吸收溶液中的葡萄糖后就能够自主收缩和舒张，从而带动硅制框架缓慢向前行走，形成了微型机器人，为纳米机器人动力系统的研制提供了有效方法，这种方法在医学上能够用来清除血管内的脂肪斑。哥伦比亚大学研制出一种 “纳米蜘蛛”微型机器人，该机器人只有4nm大小，由DNA分子构成，能够跟随DNA的运行轨迹移动，在二维体表面可以行走100nm，可用于医疗领域，进行疾病诊断、协助手术过程、清理血管垃圾等。加拿大、法国、日本、瑞士、以色列、德国等国也在纳米机器人领域开展了富有成效的研究工作。加拿大蒙特利尔理工大学在纳米机器人的运动控制方面取得了进展：在计算机控制下，成功地引导了一个微型装置在活体动脉内以10cm/s的速度运动。法国国家科研中心则成功地利用特种显微镜仪器，让一个分子做出了各种动作。日本东京大学的科学家成功地将2个分子机器人组装在一起，形成了一个分子机器复合体，紫外线和可见光能够为这个超微型分子机器提供动力。利用光的控制，这个分子机器人能够充当“机器人外科医生”，可穿行于人体血管以及杀死癌细胞。瑞士苏黎世实验室和巴塞尔大学、韩国等都研制出了不需要电池的纳米机器人，为纳米机器人未来在医疗中的应用拓宽了方向。以色列的科学家发明了一种只有几毫米大小的微型机器人，该机器人能够凭借细小的附属肢体在血管里附着和移动，科学家通过在病人体外制造磁场来控制这些附属肢体的动作，所制造的磁场能够使微型机器人的肢体发生振动，并且在血管中进行运动。在纳米加工或操作的自动化装置方面，德国曾经研制出具有信息处理、导航和通信能力的微型直升机，这种基于多方面纳米技术的微型飞机可以旋停、低飞、高飞，可以实现侦察、引导导弹攻击目标等功能。我国纳米机器人的研究工作开展不多，研究工作主要集中在沈阳、重庆、上海、北京等地，其中北京在生物纳米机器人的部分领域已经达到国际先进水平。

当前生物纳米机器人研究工作已从第一代生物机械简单结合系统（例如用碳纳米管作结构件，分子马达作为动力组件，DNA关节作为连接件等）发展到第二代由原子或分子装配的具有特定功能的分子器件（例如直接用原子、DNA片断或者蛋白质分子装配成生物纳米机器人），未来还将向第三代包含纳米计算机在内的进行人机对话的操控性纳米机器人发展。第三代生物纳米机器人目前还处于设想阶段。目前，在全世界范围内用于严格意义上纳米加工或操作的自动化装置发展较少，包括以环境扫描电镜为平台的多功能微纳操作、表征及微加工系统等，能对微小零部件进行纳米级加工的“纳米车床”等主要还停留在概念设计阶段。

2 纳米机器人

一般认为，纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，在纳米尺度上应用生物学原理，研制可编程的分子机器人。它是纳米机械装置与生物系统有机结合的产物。当人体某个部分感染时往往会服用或注射抗生素，但是抗生素在血液里会被稀释，真正起到治疗效果的只有一小部分药物，大部分人则可以直接把小剂量的药物送至感染部位，减少了副作用，还提高了治疗效果。在生物医学上，科学家还利用纳米技术制造纳米机器人，让它在人的血管网络中漫游，进行巡逻和检查，尽早发现异常细胞，而且可以对人体内细胞组织进行修复。它不仅可以完成早期诊断工作，更重要的是可以充当微型医生发挥治疗作用，解决传统医生难以解决的问题，如：杀死癌细胞、疏通血栓、清除动脉脂肪沉积物等。这种简单的机器人，可以是一个人造红细胞，约由1800 万个主要是碳的原子构成，能模仿正常的充满血红素的血红细胞行为，该装置上的压力传感器可接收医生的信号，在人体内的它们还可以实时监测人体在不同条件下的各类信息，如不同时间人体内不同位置处的各类化合物的水平，从而形成动态图像，形成了一种新的医学成像方法。纳米机器人还可以用来为人体器官做手术、为脑部动手术等。

3 纳米机器人的应用

目前，纳米机器人尚在研究开发阶段，但其潜在应用十分广泛，主要体现在医疗和军事上。

3.1 纳米机器人在医疗上的应用

在生物医学上，纳米技术具有无限的潜力，纳米机器人的研制成功成为纳米研发领域的骄傲。纳米机器人不但能够修复细胞与基因，还能够清除体内垃圾、养护血管。

（1）细胞与基因的修复。随着人类对物质控制能力的不断进步，分子大小的机械部件将会诞生，它们可以组装成比细胞还要小的微型机器。人工制造的“细胞修复机”在纳米计算机的操纵下，可以对原子逐个进行操作，修正DNA的错误，维护个别细胞的成分，从而达到对整个基因细胞的修复。

（2）清理体内垃圾。人体是一个保持自然平衡的有机体，新陈代谢的过程可以起到吸收新鲜养分、排除有害物质的作用。但有时候人体自身平衡出现问题，无法实现自我平衡。例如，人体铅、汞中毒后，机体无法排出，也无法分解这些元素。这时，如果让纳米机器人进入体内，就会极具目的性地把这些有害物质清出体内，使人体恢复自然平衡。

（3）养护血管。人体的脑部血管有些地方天生脆弱，平时很难被察觉，但在意外情况下，可能会突然发生破裂，导致脑溢血。如果让纳米机器人事先进入血管，仔细检查，并且一一修复那些脆弱血管，就可以避免这类悲剧的发生。有时血管中会产生血栓，堵塞血液正常流动。如果将纳米机器人导入血管，可以把血栓打成小碎片，避免血栓的进一步扩大。

3.2 纳米机器人在军事上的应用

世界各国的军备竞赛已经延伸到了纳米领域，各国都在探索利用纳米技术进行军事装备的升级与改造。多国已经开展了有关纳米机器人在军事应用上的探索，主要体现在以下几个方面。

（1）用于传统的武器装备中。纳米机器人用于传统的武器技术装备，能够改善装备材料、工艺、控制系统、制导系统、运输和储存方式，提高传统武器技术装备的技术性能，使作战装备的杀伤效能得到有效提高。

（2）用于开发新的人体作战手段和方式。特殊的纳米微型组件能够堵住人体的脸、鼻、口、眼或粘住手、脚等，利用其这一特性，可以限制敌军的活动。

（3）研制纳米武器。纳米武器是纳米机器人在军事应用上的另一个研究热点，如果将纳米武器注入到人造或杂交的昆虫体内，昆虫便将这些纳米武器传播到敌国军民的身体中，造成巨大的杀伤力。同时，纳米机器人还可通过自我复制或自我繁殖的方法迅速在敌方阵营中扩散。随着纳米武器的诞生和大量运用，传统的作战方式不断更新，纳米技术水平的高低对战争的胜负影响越来越大。

4 纳米机器人发展的前景展望

在21世纪，纳米科学技术将成为科学技术发展的主流。纳米机器人的发展是化学、物理、生物、工程、医学、材料科学等多门学科发展的结果，必将促进21世纪科学技术大军的跨学科教育。纳米机器人将对21世纪初的经济与社会产生深刻影响，也许可与信息技术、细胞生物学、遗传生物学与分子生物学的影响匹敌。从应用的范围和潜力方面讲，无论是军用还是民用，纳米机器人的未来是不可估量的，由于其不同的功能，高表面积与体积比，纳米结构对于化学和生物传感器、医疗设备、触媒、光电材料和纳米元件非常重要。多种材料选择加上不同的合成策略，产生了不同形态的纳米材料，如纳米级薄膜、纳米线、纳米管、纳米带、纳米粒子和纳米多孔结构等。这种多功能的和多成分分层的异晶结构是非常有用的，必将在许多方面影响我们的生活，从纳米汽车到纳米电子技术，随着纳米机器人技术逐渐产业化和日趋成熟，其产业化和市场化的前景是十分可观的。

5 结 论

随着科学技术的不断发展，纳米机器人已经与信息技术、生命科学技术等一起成为科学技术进步的重要方向。纳米机器人的设计与制造已成为世界上人们关注的热点，成为21世纪科学技术进步的发展动力。纳米机器人的发展方向是多种技术的综合应用，以实现各种技术的优势互补。因此要想通过纳米机器人的研发带动纳米技术的整体蓬勃发展，还需要研究人员不断开拓创新，逐一解决研发中的各种问题，为早日突破纳米机器人技术占领世界技术至高点奠定基础，最终使纳米机器人早日走入人民生活，造福人类。

参考文献：

[1]顾宁，黄岚，张宁，等.制造纳米电子器件的技术途径[J].华北工学院测试技术学报，2000，14（4）：241.

[2]付宏刚，刘克松，王江，等.功能纳米结构的组装[J].哈尔滨工业大学学报，2005，37（5）：978.

[3]崔铮，陶佳瑞.纳米压印加工技术发展综述[J].世界科技研究与发展，2004，26（1）：7.

[4]王素娜，江国庆，游效曾，等.无机分子纳米材料的研究进展[J].无机化学学报，2005，21（1）：1.

[5]陈俊才.浅谈我国纳米科技的发展状况[J].技术与市场，2008（5）.

[6]胡琳珍.浅谈纳米科技的发展与应用前景[J].科研新视野，2008（10）.

作者：朱团 金爽 张利超

生物纳米马达研究论文 篇3：

“纳米雾”,离我们有多远

“我想要一桌酒菜!”于是，你眼前出现了一桌丰盛的宴席；“我想再要一座城堡!”于是，你眼前就出现了一座魔幻城堡……也许你以为我在讲笑话，但我要告诉你，这是约翰·霍尔基于目前纳米科技发展趋势提出的一种构想。

霍尔是美国一位知名的计算机专家，他为自己的这一构想取名为“实用雾”，也叫做“纳米雾”。根据霍尔的设想，“纳米雾”由一大群能自我复制的智能型纳米机器人组成。这些机器人身上有12只手臂，还有接收天线，因此可以通过无线电遥控。它们平时飘浮在空中，或者附在地板上，单凭人类的肉眼无法觉察。当需要什么的时候，你只要往电脑中输入一个指令，电脑向空中发出无线电波，接到命令后的纳米机器人会立刻聚拢来变出你想要的东西。这些纳米机器人是如此之微小，以至于可以通过程序控制来细腻地模拟任何宏观物体的大多数物理性质，甚至可精确到人眼无法分辨真假的程度。

1990年，首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科技的诞生。经过近20年的飞速发展，如今，纳米科技已在材料学、物理学、化学、电子学、计量学、生物学等领域取得了诸多重大的成就。

那么，我们不禁要问，以当今的科技水平，科学家能制造出这样的“纳米雾”机器人吗?制造中还存在哪些技术难点?“纳米雾”到底离我们还有多远?

人造生命取得突破，纳米雾仍任重道远

根据霍尔的设想，“纳米雾”是一大群能自我复制的智能型纳米机器人。它们具有相似的结构，具有遗传、繁殖及对外的应激能力(接受外部指令形成各种各样的物体)。此外，从出生、繁衍、执行各种任务，到最终衰亡，它们还需要不断地与外界进行能量和物质交换。也就是说，它们还具有新陈代谢、生长、演变等特性。上述种种迹象表明，霍尔的“纳米雾”机器人实际上已属于人造生命范畴，而且属于高级智能型的人造生命。

一般认为，人造生命至少应有三个基本特征：外壳(细胞膜)、遗传物质(基因)、基因控制下的代谢和繁殖能力。人造生命的外壳解决起来相对容易，人造基因和人造基因控制下的代谢与繁殖问题，解决起来则相当困难。2008年10月，美国科学家克雷格·文特尔宣布，他的研究小组在实验室中成功合成了人造基因，并将其植入细菌的外壳中：在这些基因的控制下，新细菌能摄食、代谢和繁殖，已经具备了生命的三个基本特征，堪称人类历史上第一个“人造生命”。文特尔的工作具有深远的意义，它标志着人类在最低级人造生命方面已取得重大突破。

既然第一个人造生命都造出来了，那么，是不是下一步就可以开始着手制造霍尔的“纳米雾”机器人了呢?显然，两者之间还有相当远的距离。

首先，文特尔的人造生命是低级的，它虽初步具备了生命的某些特征，但仅限于实验室。这些人造生命在自然环境中的摄食、代谢、存活和繁殖能力到底如何，尚不得而知。要知道，目前地球上所有生命都是经历了亿万年自然法则挑选的结果。

其次，我们仅能勉强地将文特尔的人造生命归类为细菌。该“细菌”智能化程度极低，连自身“生存问题”都尚不能保障，就更谈不上让它接受人类的指令去执行某种特定的任务了。

繁殖与可控繁殖

先说繁殖问题。根据物质守恒定理，霍尔的“纳米雾”机器人要在自然环境中存活，并在需要时快速自我复制，即一个变为多个，就必须从外界大气中补充、摄取新的物质。众所周知，大气的主要成分为氮气、氧气、水汽、氩和二氧化碳等，主要的化学元素为氮、氧、氢、氩和碳等元素；生命遗传基因DNA为脱氧核糖核苷酸双链结构，主要化学元素为氮、氧、氢、碳和磷。对比大气和DNA的成分可以发现，大气中严重缺~_DNA中的磷元素，这意味着DNA无法在，大气中顺利进行自我复制，此因素很可能成为“纳米雾”机器人在大气环境下无法繁殖的重要原因。此外，为了方便人造DNA复制和人造生命存活，文特尔为他的人造生命创造了最为适宜的实验环境，比如合适的实验温度、酸碱度、化学成分等，和这种“优越”的实验环境相比，大气环境对于人造生命来说简直就太恶劣了。这也必然会直接影响人造生命的生存和繁殖。

下面我们再说可控繁殖。

在近期的《应用生态学杂志》上，英国剑桥大学动物学家威廉·萨瑟兰列举了未来25大环境威胁。其中，最危险的隐患就是人造生命和仿生纳米机器人。萨瑟兰认为，人造生命和仿生纳米机器人极可能成为未来新的入侵物种，进而影响我们的生态系统。

事实上，霍尔的“纳米雾”机器人也存在同样的问题。试想，如果“纳米雾”机器人“体质”太弱，它就无法在自然界中存活；但反过来，如果其繁殖能力过强，加上在自然界中又没有天敌，一旦人类对其复制失控，这种纳米机器人将有可能迅速占领地球上的生存空间，直接威胁到其他生物，甚至人类的生存。为此，一些预言家危言耸听地预言，纳米技术产生的这种纳米生物机器人，最终将会使得地球变成一大团灰色的、黏黏糊糊的物质所覆盖的纳米怪物。与外界的能量交换

“纳米雾”机器人要在大气中生存、必要时迅速繁殖，并执行人的指令，能量来源问题首当其冲。从可能的途径来看，“纳米雾”机器人的能源可依赖太阳能、摄取外界含能物质或由人类提供。

在太阳能利用方面，近年来的纳米技术已经取得了许多重大成果，如，科学家已经可以利用纳米印刷技术将太阳能光电转换电路印制在塑料薄膜上，直接将太阳能转换为电能；再如，以色列科学家已将金属线埋置于玻璃中，制造出了所谓的“纳米太阳能电池”，这种电池效率极高，是常规太阳能电池的100倍等等。然而遗憾的是，对于“纳米雾”机器人来说，这些纳米太阳能装置仍显得太庞大了，根本无法携带和利用。

再来看能量来源的第二种途径：“纳米雾”机器人通过摄取大气中的物质，并经过新陈代谢的方式来获得能量。这种方案的可行性较小。因为从能量的角度来看，大气中的氮气、氧气、水汽、氩和二氧化碳等都属于低含能物质，其中氧气、二氧化碳等分别为植物和动物“呼吸”利用过的“废气”。显然，“纳米雾”机器人要利用这些“废气”来获取能量，可能性不大。那么，“纳米雾”机器人是不是可以从地面上直接自行获取能量呢?这也不现实，因为地球上不同的地方，物质环境往往千差万别，除非我们“教会”这些机器人使用“吸功大法”。退一步讲，即便它们学会了“吸功大法”，万一发生了“纳米机器人从我们人体上直接吸取能量”的紧急情况，又该怎样办?

第三种能量来源途径是“纳米雾”机器人通过人工电

磁波等方式获取能量。这种方案相对可行。那么“纳米雾”机器人如何通过电磁波从人类那儿获取能量呢?我们不妨从已有的微波(电磁波的一种)动力飞机说起。微波动力飞机的原理如下：地面高功率发射机通过天线将微波能量汇聚，并射向高空飞行的飞机；然后，飞机借助机体上的特种天线把微波能量接收下来，并通过电磁装置使之变成直流电，再由直流电动机带动飞机的螺旋桨。目前，微波动力飞机已经在加拿大、美国等国家成功诞生。微波动力飞机的思想在“纳米雾”机器人能量获取问题上是值得借鉴的，现在面临的最大问题是如何将这套电磁波能量装置微型化。

通讯与动力装置

“纳米雾”机器人要能够接收人类的无线电波指令，迅速完成复制，并到达指定的位置，还需要解决通讯和动力问题。

首先来看通讯问题。

要让“纳米雾”机器人能够接收无线电波指令，我们必须要给“纳米雾”机器人设计和安装接收天线。设计这种天线，纳米碳管似乎是最为合适的选择。近来，科学家们已经成功制造出了纳米碳管“可见光波接收天线”；他们发现，这种纳米碳管天线具有极高的传输效率和信号质量。“纳米雾”机器人通过这种天线接收指令后，只有通过神经系统将该指令传达给自身的能量系统、动力装置，机器人才能开启马力，向特定的目标位置迸发。至于纳米机器人的神经系统，则可借助业已发现的树状纳米碳管来实现。实际上，树状纳米碳管的构形和我们人类的神经系统结构颇为相似，中间最粗的主干可作为“神经中枢”，其他枝权则为“神经末梢”。

下面我们再来讨论动力装置问题。

接收指令后，“纳米雾”机器人要迅速到达指定的位置。在行进中，“纳米雾”机器人需要配备有动力装置(纳米／分子马达)来驱动。

事实上，纳米／分子马达早已广泛存在于生物细胞内，它们的功能是实现微观物质的运动。近年来，科学家们已经发现了诸多形形色色纳米马达，如驱动肌肉的肌球蛋白马达、参与DNA解链的DNA解旋酶马达、ATP(三磷酸腺苷，一种生物能量分子)分子马达等。上述纳米／分子马达是不是可以直接应用于“纳米雾”机器人呢?显然没这么简单。这里至少需要解决以下两个问题。第一，纳米／分子马达如何“安装”到机器人上?第二，机器人纳米／分子马达的能量供给问题。此外，马达的功率问题也要考虑，因为，近来笔者的一项研究表明，纳米尺度下，物体的运动黏性阻力要比宏观物体高出若干个数量级，这就好比我们人在淤泥中行进一样困难。

环境污染与毒性

准确地讲，每个漂浮在空气中的“纳米雾”机器人实际上就是一个纳米颗粒。纳米颗粒的一个显著特点是表面积大，粒子表面的原子数多，周围缺少相邻原子，所以具有很强的吸附能力和很高的化学活性。

最近，华中科技大学的学者研究发现，煤燃烧后会产生20～150纳米的球形或近球形颗粒，而其聚结体的尺寸在500纳米以上。由于微尺度效应，燃煤纳米颗粒物可轻易进入人或动物体的器官内，可能产生比粗颗粒更为严重的健康危害，如使眼、黏膜和皮肤产生十分强烈的刺激性反应，导致哮喘病、动脉硬化、癌症及神经变异等严重疾病。另一方面，医学家发现，当药物制剂的粒径变小后，药效虽然增加了，但其毒副作用也显著增大。如，常规药物被纳米颗粒物装载后，急性毒性、骨髓毒性、细胞毒性、心脏毒性和肾毒性等均明显增强。

作为纳米颗粒，“纳米雾”机器人实际上也存在上述类似问题。这些机器人(纳米微粒)在空中飘浮，不知不觉中会以热运动的方式扩散进入食品、水源和生物内部，进而进入人或动物体细胞内。它们在人或动物体内将“如同幽灵一样游走”，如果潜伏在细胞内就有可能诱发细胞病变，甚至可能导致癌症。到那时候，也许“如何尽快消灭这些可恶的‘纳米雾’机器人”便会成为我们的头号大事了。(文章代码：100205)

责任编辑　赵菲

作者：沈海军