扇贝定理示意图 。 如同扇贝一样往复式地打开和关闭无法在微观世界运动 | 来源：Bechinger, C.; Di Leonardo, R.; L?wen, H.; Reichhardt, C.; Volpe, G.; Volpe, G. Active Particles in Complex and Crowded Environments. Rev. Mod. Phys. 2016, 88 (4), 045006–045050.
为什么微纳机器人不能像扇贝一样往复运动？非常非常简化的解释如下：流体的流动通常由一组称为纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）的非线性偏微分方程描述 。 对于微纳尺度运动的物体来说 ， 惯性对它们的影响很小 ， 而液体对它们来说非常粘稠（所谓低“雷诺数”流体环境） 。 在此情况下 ， 斯托克斯方程的简化表达式为：
-▽p μ▽2u=0 ， ▽u=0
这是一个线性方程 。 这意味着流体的流速与所施加的力成比例 ， 即 ▽p= μ▽2u 。 由于在该方程中不存在与时间相关的项 ， 且方程是线性的 ， 这意味着对于完全往复的运动 ， 物体无法获得净的向前运动（即扇贝定理） 。
怎样实现纳米机器？
环境十分恶劣 ， 又无法像宏观的机器一样往复运动 ， 实现纳米机器曾经举步维艰 。 但科技发展日新月异 ， 今天的我们已经拥有远胜于五十年前的知识和技术水平 。 纳米机器的合成、制备与开发已经逐渐变得可能 。 此外 ， 人们也认识到 ， 自然界其实早已充满了各式纳米机器 。 例如 ， 细胞内的输运蛋白能够克服布朗运动 ， 在微管束组成的轨道上来来回回运动 ， 像货运卡车一样在细胞内输运巨大的货物；ATP合成酶精巧地旋转一圈 ， 借由细胞内外的氢离子梯度 ， 为细胞生产出所需的食物ATP；大肠杆菌、精子细胞、草履虫等八仙过海各显神通 ， 挥动鞭毛、纤毛 ， 在恶劣的环境中游弋并找到食物 。 这些精巧卓绝的生物纳米机器让人叹为观止 ， 也为我们设计纳米机器提供了最宝贵的经验 。
游动的大肠杆菌的卡通示意图 | 来源：https://tech.sina.com.cn/d/f/2018-09-12/doc-ihiixyeu6409974.shtml
我们在这里介绍一种很常见的让微纳米机器在流体中运动起来的方法 。 这种方法首先需要制备一种表面材料分布不均匀的颗粒 ， 也称为Janus颗粒 。 这个名字来源于古罗马的神袛双面神Janus ， 它有两张面孔 ， 一张回望过去 ， 一张眺望未来 。 因此这种颗粒也被称为双面神颗粒（这也是英文单词一月January的词源） 。 最简单的双面神颗粒是一个微纳米球 ， 一半覆盖了某种材料（例如金属铂） ， 能够在溶液中发生特定的化学反应（例如铂催化的过氧化氢分解） 。 因为颗粒两面的材料不同 ， 化学反应产生了化学物质浓度梯度 ， 在此梯度下颗粒能够因为各种不同的机制（泛泛来说是某种“泳”机制 ， 即phoresis）运动起来 。
罗马双面神Janus | 来源：http://www.sohu.com/a/196546395_256799
这种靠化学物质的梯度而运动的原理 ， 也适用于宏观物体 。 例如 ， 漂浮在睡眠的肥皂船上的肥皂溶解在水中 ， 因为船的形状不对称 ， 从而形成了表面张力的梯度 ， 拉动了肥皂船的运动 。 《三体》中云天明就是借此暗喻了曲率驱动这一星际航行的策略 。
曲率驱动的原理想象图 。 通过操控飞船前后端空间曲率 ， 实现飞船超光速的运动 。 | 来源：https://www.popsci.com/technology/article/2013-03/faster-light-drive/
这样的微纳米机器好像车头吊着一个胡萝卜的驴车 。 前面有胡萝卜后面没有 ， 这样就得到了一个“胡萝卜的梯度” 。 驴感受到这一梯度 ， 被其吸引 ， 自发向前运动 。 这个梯度不会因为驴车的运动就消失 ， 而是无时无刻保持在驴车周围的 ， 因而驴车可以持续不断的向前运动 。 这并不是永动机 ， 因为驴子运动需要不断消耗能量 ， 转化为车的动能 。 事实上 ， 很多化学驱动的微纳米机器中 ， 其表面的化学反应会持续不断地消耗化学物质 ， 因而“胡萝卜”会越来越小 ， 对驴子的吸引力越来越弱 ， 最终机器停止运行 。 制造一种能够源源不断从环境中高效汲取能量的微纳米机器一直是一个非常重要的课题 。
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