作家：黄天云（北京大学工学院优秀成立与呆板人系、微米纳米加工本领宇宙重心实习室、湍流与繁复体系国度重心实习室咨议员）

　　对人类而言，微观宇宙仍旧存正在许多谜题无论是地球上性命力最执拗的微型生物水熊虫，仍旧被誉为“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，以及蕴藏着诡秘性命开始的分子基因编码DNA，人们均知之甚少。近半个世纪从此，人们不绝理想成立出一种能进入微观宇宙的微型呆板人，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”，提醒基因合成卵白质，与细胞协同结束性命的演化，代庖人类“看看”微观宇宙结果爆发了什么。也许就正在不远的畴昔，这一欲望就能完成微纳米呆板人。

　　微观宇宙是一个奇特且充满未知的“蓬莱瑶池”，存正在着繁多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现。正在这里，物体的表面积相较体积的比率成反比例扩充，这意味着正在微标准宇宙里，能量的耗散效力愈加猛烈，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子呈现出黏滞力占优，惯性力可被怠忽，物体像是被安放正在极度黏稠的蜂蜜里相通。到了纳米标准，物体还会受到愈加剧烈的分子间彼此效力力，如范德华力等。此时，物体所受重力效力可被近似怠忽，同时，受到分子的机器得罪愈加明显，无原则的布朗运动也相对更猛烈。

　　正在这种看似异常卑劣的微观宇宙中，却存正在着品种繁多的轻微智能体，它们映现出执拗的性命力和瑰异效用。比如，水熊虫是一类体长正在亚毫米的微型无脊椎动物，依赖怪异的心理构造和重大的基因修复才气，可正在境况恶化时映现出怪异的隐生“绝技”，以耐受炎热干旱、切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异常境况。正在肉眼难以分此表微生物宇宙，还存正在着数目惊人的微米级单细胞生物，如原矫捷植物、细菌、真菌、支原体、衣原体等。它们广大散布正在天然界中，与人类的坐褥、存在和活命息息干系。另表，仅由核酸分子和卵白质维持表壳组成的病毒，因为不具备完备的细胞样子且摆脱宿主，无法独立结束新陈代谢，经常被以为黑白性命体。但它们却拥有选取性吸附宿主，并正在侵入后借帮宿主细胞供给的原资料，结束自我复造增殖的才气，映现出令人叹为观止的群集智能与活动。

　　不但如许，微观宇宙的运转是高度结构化的。有目共见，细胞是组成生物体的根本单元，其内部更像是一间繁复劳累却结构有序的“微呆板工场”。细胞核是工场的职掌中枢，正在酶催化效力下含有音信编码的DNA正在这里结束复造并转录成mRNA。原委剪接与藻饰后的mRNA进入细胞质，正在卵白质的合成车间核糖体内实行翻译，并将繁多单个的氨基酸拼装成卵白质长链。这些卵白质再原委包装和藻饰，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”线粒体原委氧化代谢发作的分子燃料电池ATP供给。这个微呆板工场的所有运转进程怎么做到如许精准、可控且高效，不绝是科学家们祈望解开的性命体的终极谜团。这对揭示微观性命的谜团，提升生物合收效力，改善生物代谢的宗旨或途径均拥有紧急意旨，可为来日人类可延续起色供给紧急的本领维持与物质保险。

　　大天然巧夺天工，可正在微纳米标准上筑造像DNA、核糖体、噬菌体、大肠杆菌等如许精妙的机灵性命体。工程上，科学家也正在试图效法大天然的办法，正在微标准层面创设宛如的人造智能体，借帮它们进入微标准，插足调控性命体各个维度分别阶段的成长和演化，并通过这些人造微呆板与有机性命体间的交互协同，最终完成自结构，显示出可控的体系性宏观活动。

　　这里，咱们来约略界说“微纳米呆板人”：它们是一种智能微机器体系，尺寸经常从亚毫米到几十纳米，被切磋用于正在繁复微标准境况下适当性地自决结束可控微操作。

　　呆板的微型化供给了一种物色微观宇宙的全新视角和有用用具，微纳米呆板人本领的起色对物色性命的微妙拥有紧急意旨。正在科研物色方面，动作优秀呆板人学的紧急分支之一，微纳米呆板人学是一门集繁多宏大科常识题与前沿热门本领的新兴交叉学科，涵盖物理、化学、生物、力学、资料学、微纳成立、微机电体系、呆板人学、微动力学、微电子、音信与职掌、生物工程、生物医药、临床医学等多个学科。

　　说起微纳米呆板人的史乘，咱们可能可能追溯到20世纪60年代。美国表面物理学家机器人、诺贝尔物理学奖得回者理查德费曼于1959年12月29日正在加州理工学院揭晓的演讲中初度提及纳米本领，他如此形容这一奇特的本领：“底部有足够的空间”。这个划时间的叙述不但奠定了纳米本领的观念，也预示了微纳米呆板人与纳米医学时间的到来。

　　依据费曼的说法，他当时的博士生阿尔伯特希布斯最早提出“吞噬表科大夫”的斗胆构想，并指出“可能可能正在体内永恒植入少少轻微呆板来协帮某些效用缺乏的器官平常事情”机器人。这个“猖獗”的思法，随后被改编成通过微缩本领，将潜艇缩幼到微生物尺寸并注入人体修复脑毁伤的情节，拍成了知名的科幻片子《奇幻航程》。

　　值得一提的是，这种以微缩的款式进入体内的思法早正在我国古代明朝中叶成书的《西纪行》中就有仿佛的情节，比如孙悟空变幻成飞虫钻入铁扇公主腹中，可为所欲为蜕化巨细的如意金箍棒等。我国东晋葛洪所著的《仙人传壶公》中也提到过仿佛微缩时空的神通：“（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，费曼当年的瑰异构想，结果被瑞士苏黎世联国理工学院的咨议团队告成完成人为“磁螨”。这个机器螨虫的尺寸正在亚毫米级，正在高频振荡磁场驱控下，通过将错位磁块彼此撞击发作的惯性袭击转化为行进促进力，以此完成对轻微物体的精准操控。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本领成立的三维微螺旋，可正在低场强回旋磁场驱控下结束精准的靶向药物递送。

　　早期的咨议更多聚焦正在物色怎么策画将各样能量款式转化为机器能的微实行机构，因而也通常将其现象地称为微纳米马达。近些年，跟着软物质资料、微纳增材成立和人为智能的饱起，微纳米呆板人学起源从简单机闭效用化，向着使呆板适当微标准繁复境况和多使命需求的智能化宗旨起色。

　　当前，微呆板智能化的咨议已初具雏形，网罗微动力与精准操作、微机器增益、软体适当性、柔媚络续体、模块化重构、音信存储与措置、混淆杂交上风、仿生与优化、微体系集成、自结构交互与群集智能，以及分子自拼装/复造/成长等多个热点宗旨。目前，该规模最前沿的事情都正在实验阐明或处置，怎么正在微标准下付与呆板真正智能这一主旨题目，合伙指向了微呆板效用化的终极对象和最高阶段：微呆板智能，或微标准人为智能。

　　近些年，新兴的优秀资料与纳米本领促进了微纳米学规模的疾捷起色，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机器传动装配、可重构式柔性变体微呆板、杂交式生气电体系、集成式微电子微呆板、交互式纳米脑机接口，以及如扑翼式机器虫豸的毫米级微型呆板人等繁多前沿宗旨。这些人造微机用拥有尺寸轻微、无损微创、超轻巧携、操控精准、效用集成度高、易于大领域成立等怪异上风，且具备超高矫捷度与相应才气、巩固的安靖性与鲁棒性、极低的能量失掉等微标准功能，对精准医学、境况工程、智能成立、性命科学以及人为智能等繁多规模的本领改造与场景拓展拥有不行替换的促进效力。

　　正在医学方面，微纳米呆板人正在微创介入、靶向输运、疾捷救治、早期诊断及结构修复等精准医疗规模潜力宏伟机器人，如操纵微纳米呆板人进入肝肾肿瘤、脑动脉瘤、表周结构器官，对微细供血动脉实行栓塞封堵及血栓扫除，通过蛛网膜下腔，进入并精准操控中枢神经体系，完成息养中晚期癌症疾苦职掌，操纵植入式多传感器体系正在体监测心理体征等。

　　除此以表，微纳米呆板人来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规模阐明紧急效力。这些轻微智能体，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，对特定境况条款实行趋势性相应，并通过带领、运载及开释生物酶或催化剂，有选取性地识别污染物，加疾响应历程，大幅提升有机分子、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缉捕、去除、降解或修复效力。

　　因为自己尺寸幼，微纳米呆板人拥有极高的空间自正在度、超冗余智慧性，可能潜入守旧呆板人无法抵达的受限空间内结束细腻化操作，正在繁复三维超资料加工、微电子电途安装与封装、微腔道内探测与检修等高端配备成立规模拥有怪异上风。特地值得眷注的是，人类能否正在微标准筑造仿佛于细胞内的“卵白质合成工场”，其枢纽正在于怎么修建用于氨基酸可控拼装且拥有高度可识别性的DNA编码，来精准教导卵白质的有序合成。已有的咨议显示，纳米磁编纂本领可正在纳米级精度大将多模态变体音信嵌入微呆板，而其更紧急的价钱再现正在，操纵纳米磁编码，可修建起仿佛于DNA双螺旋的碱基配对。由此，对微纳米呆板人实行结构化分工，可能高效有序地实行各样效用微单位的可控安装，来日希望操纵该本领正在微标准下真正完成由“呆板成立呆板”的“微呆板工场”。

　　当然，微纳米呆板人的舞台远不限于此，它面向各样实践操纵的潜力无尽。咱们现正在有很多题目找不到理思的谜底，但每一个题目都如许令人入神：DNA分子估量机是否可能超越量子估量机？微型飞翔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？纳米大夫与长久正在体植入，纳米脑机接口与单神经精准操控，跨标准交互怎么完成由此发作的革命性打倒本领都将是微纳米呆板人来日极具潜力的起色宗旨机器人。

　　微纳米呆板人已不但仅存正在于科幻片子中，各国科学家们正正在踊跃促进它们从底子咨议迈向真正的实践操纵场景，人们对它有一天可以造福人类和改造宇宙充满遐思和等待。尽量如许，咱们必要清楚地了解到，微纳米呆板人这一规模才刚才起步，广大的多学科交叉，会带来更多集成革新的棘手困难，还必要从国度层面，踊跃开导分别窗科最前沿规模的科学家深度协同攻闭，疾捷促进微纳米呆板人规模的高质地起色。面向下一代智能微呆板起色优秀微纳米成立与呆板人本领，咱们要以国度宏大需求为导向，撬动呆板、配备、体系的智能化和微型化，重心探究微呆板智能化完成的底子表面与枢纽本领，牵引微纳米呆板人规模的疾捷起色，抢占科技造高点，爱护国度主旨好处。微机器人纳米呆板人：探究怪异的微观寰宇