纳米机器人是一个学科高度交叉的研究领域 ， 涉及物理、化学、材料、生物等多个学科的基础科学研究 。
撰文 | 王威（哈尔滨工业大学(深圳)教授）
说起纳米机器（nanomachines） ， 人们恐怕不免联想到科幻小说或者科幻电影 。 读者会尽情畅思 ， 联想到科幻电影中用于修复星际战舰船体的纳米机器人 ， 在没有硝烟和声音的战场上 ， 把破损的结构拆除、分解、修复；或者从现实需求出发 ， 脑海中浮现出在血管中穿梭的小小机器人 ， 它们可以有几个尖利的爪子 ， 巧妙躲避着红细胞、白细胞 ， 或者喷出药物 ， 或者切割钻削 ， 为人类的健康而奔波在血液之中 。
科学幻想中的纳米机器人在血液中拖曳红细胞 | 来源：http://www.sohu.com/a/246917314_740022
一个大众文学中对此的经典想象 ， 是1966年Harry Kleiner的电影《奇妙的航程》（Fantastic Voyage ， 艾萨克?阿西莫夫对该剧本改编为同名小说） 。 在美苏争霸的冷战大背景下 ， 一队美国科学家登上了缩小到了微米尺度的潜水艇中 ， 进入了一个受伤的外交官的血液中 。 虽然每次心跳所引起的血液波动都让潜艇随时处于倾覆的边缘 ， 身体内的抗体也把潜艇当做了感染源而疯狂攻击 ， 英勇的主角们仍然能够操纵潜艇在血液中化险为夷 ， 并摧毁危及生命的血栓 ， 最终成功拯救了外交官的性命 。
以上这些科幻电影中的场景 ， 可能会让稚气的孩子们兴奋非常 ， 而年长的人们则难免会半信半疑 ， 甚至嗤之以鼻 。 1纳米是1米的十亿分之一 ， 这些比头发丝（大约50微米 ， 即5万纳米）还细小得多的纳米机器人似乎威力无穷但又遥（微）不可及 ， 尽管近几十年来常常被人提起 ， 却又好像从未真正出现过 。
我们究竟距离这一天还有多远？沿路有哪些艰险曲折？为之付出巨大的人力物力是值得的吗？
纳米机器的三大险阻
有些人认为 ， 纳米机器终究只是科学家和科幻圈的一场小众狂欢 。 这样的质疑和悲观似乎十分有道理 。 从上世纪50、60年代以来 ， 在世界科技发展进步的大多数时间里 ， 纳米机器都徘徊于憧憬和梦想之中 。 纳米尺度的物体运动要客服太多的艰难险阻 。 比如 ， 物体越小 ， 受到空气、水分子的无规撞击的影响就越大 ， 其运动会显得十分无规则 。 这种被称为“布朗运动”的效应在宏观上几乎无法察觉 ， 但在微观上会非常显著 。 布朗运动和颗粒的化学组成与密度无关 ， 与温度直接相关 ， 因而无法根除 。 当物体越来越小 ， 就需要克服越来越明显的布朗运动 。 因此 ， 在纳米尺度 ， 几乎所有的定向运动都会让位于与之相比巨大得多的环境扰动 。 这也使精确操控微纳米机器变得极其困难 。 （1966年的电影中 ， 主人公们操纵器微纳米潜水艇似乎游刃有余 ， 布朗运动在这一电影中被极大的忽视了）
此外 ， 目前（2019年）最精密的机械加工精度大约是5纳米 ， 这也是英特尔等芯片厂商通过数十年的不断进步所取得的惊人成绩 。 然而这样的精度或许仍不足以制造我们所需的精密部件 ， 来组装成满足需要的纳米机器人 ， 让其有手有脚有脑有天线等 。 而即便我们的加工精度达到了要求 ， 如何在纳米尺度上用极其微小的镊子将这些比头发丝还细小一万倍的零件一个个组装起来 ， 更是技术上令人咋舌、甚至无法逾越的高峰 。
人头发丝上利用双光子光刻方法3D打印的跳舞的女人| 来源：https://www.fabbaloo.com/blog/2014/11/13/the-teeniest-3d-printed-human-ever
第三 ， 即便我们想出了高招克服布朗运动的干扰 ， 也开发出了非常精密的技术以生产、组装纳米尺度的机器 ， 我们仍然需要考虑这样的机器如何运作 。 在宏观尺度 ， 惯性的作用很强大 ， 因而宏观的动物、机器可以通过简单的手臂伸缩或者身体摇摆就能够顺畅地运动起来（想象一下人游泳的姿势） 。 但这样的“往复式”（reciprocal）运动在微观世界则举步维艰 。 对这一问题 ， 1952年诺贝尔物理学奖得主Purcell在1976年的一场演讲中首次提出了所谓“扇贝定律”（scallop theorem） ， 即像扇贝一样循环往复运动身体部件 ， 是无法让微生物产生净位移的 ， 只会让它在原地来回运动 。 因此 ， 同样受制于扇贝定律的纳米机器人也无法利用螺旋桨、背鳍、尾翼等部件的扇动来运动 ， 而需要新的驱动方法 。
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