纳米机器人走过来 - 机器人技术 - 电子工程师俱乐部

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纳米物理学家在世纪之交畅想了纳米科技发展的未来，它的主调是：纳米科技的发展将使得人类可以直接操纵原子，从而实现人们的很多梦想，如制造仅有少数原子构成的微型纳米机器人，它们可以游走在血管中吃掉沉积在血管壁上的垃圾，它们可以游走在组织间定向地识别和杀死癌细胞，它们可以直接利用太阳能制造面包，甚至于纳米机器人可以自行复制等等。这些听上去似乎是天方夜谭的畅想其实也并非不着边际，分子仿生学就是一门可以使研制纳米机器人成为现实的新学科。

<strong>研制"纳米机器人"将成为纳米科技时代的重要内容之一</strong>

物理学家总是模拟生物学原理制作各种灵巧的机器，这就是仿生学。仿生学是生物物理学的一个分支学科，它按照生物学原理提出设计原型，制造用于特殊目的的"功能器件"。 "纳米机器人"的研制属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的"功能分子器件"。

事实上，细胞就是一个活生生的纳米机器。酶是细胞中种类最多和最活跃的分子，每一个酶分子也是一个个活生生的纳米机器人。酶分子催化底物反应时，其蛋白分子不同结构域之间的相对运动就像是微型人在移动和重新安排底物分子的原子排列顺序。细胞中的很多结构单元都是执行某种功能的微型机器：核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的加工器；高尔基体是给新制造的蛋白质进行修饰的加工厂；加工好的蛋白质可以按照信号肽的指令由膜囊泡运送到确定的部位发挥功能；完成了功能使命的蛋白质会被贴上标签送去被水解成氨基酸成为合成新蛋白的原材料。细胞的生命过程就是这样一批又一批功能相关的蛋白质组群不断替换更新行使功能的过程，这些生命过程所需的一切能量来自太阳。植物叶子中的叶绿体是利用太阳能制造粮食的加工厂；线粒体是把粮食中储存的太阳能释放出来制造成能量货币ATP的车间；我们每人每天都要消耗相当于自身体重那么多的ATP分子以支持我们的生命活动和繁忙的工作。细胞中发生的所有这一切都是按照DNA分子中的基因密码序列指令而井然有序地进行的。

纳米技术可以仿照细胞生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器人，可以预料就在21世纪很多意想不到的微型机器人将出现在人类生活的各个方面，直接或间接地服务于人类。

<strong>制造纳米机器人不是从单个原子堆积做起</strong>

理论上讲纳米机器人是大量原子或分子按确定顺序聚集而成为具有确定功能的微型器件，但制造纳米机器人不一定是从"零"开始。机器人是由零件组装而成的，纳米机器人的零件可以是单个的原子或分子，但是更现实的是具有一定结构和功能的原子团或分子的集合。利用现实存在的功能器件组装纳米机器人比从一个原子一个原子地构建机器人更为现实可行。生物分子是自然界存在的最丰富的构建纳米机器人的零件的来源，现实可行的途径是按照分子仿生学的原理，利用大量存在的天然分子原器件，设计组装纳米机器人。下面列举几种研制纳米机器人的可能途径：

1.化学模拟

化学家很早就开始模拟酶分子的活性中心结构制造"模拟酶",这实际上就是在研制纳米机器人，因为每一个酶分子都是一个活生生的纳米机器人。但是化学家只模拟了酶活性中心功能基团在空间位置上的配置，而没有模拟出功能基团在催化底物反应时出现的动作，这种动作应当足以打开一个化学键或者合成一个化学键。因此，化学模拟还有很长的路可走，一旦模拟出具有催化动作的"模拟酶"，化学合成的纳米机器人也就诞生了。

2.利用分子的自组合原理装配机器人

生物分子在各个层次上存在着自组合的性质，利用分子的自组合特性装配纳米机器人是一个值得探索的途径。比如构成生物膜的脂类分子是一端亲水另一端疏水的双亲性分子，它们在水溶液中会自组合成双分子层微囊泡，科学家利用这种微囊泡把抗癌药包裹起来，避免药物对正常细胞的杀伤作用。为了使包裹了抗癌药物的微囊泡能识别癌细胞，科学家利用了抗体分子对抗原分子的专一识别作用，把一种专一识别癌细胞特有抗原分子的抗体分子装在微囊泡表面，如此制成的药物载体如同"生物导弹"，可以专一地识别和杀死癌细胞。这不就是纳米物理学家倡导的定向杀死癌细胞的纳米机器人吗?

3.利用生物分子作为分子功能器件组装纳米机器人

ATP酶作为分子发动机的研究已经在西方形成热点领域，日本和美国双方已经呈现出强烈的对峙竞争局面。分子发动机问世的意义决不仅仅是制造一种纳米机器人的动力装置，而是开辟了一个新的探索领域，这个领域就是研究生物分子作为微型机器人原器件的可能性。原则上所有的生物分子都是纳米机器人或组成纳米机器人的零件，生物分子的自组合性质就是零件组装的原理依据。因此，开展生物分子作为纳米器件特性和组装原理的研究应当及早倡导和支持。

呼吸链酶系是研究生物分子纳米器件和组装的好材料ATP酶在生物体内是执行能量转化的关键分子之一，它和呼吸链酶系共同组成线粒体的能量转化体系。线粒体的功能是把储存在食物中的太阳能取出来制造机体需求的"能量货币"ATP，在生物体内是呼吸链酶系推动ATP酶制造ATP。如果把ATP酶看作是一部马达，那么呼吸链就如同连接马达和电源的导线。与导线不同的是，呼吸链传递电子是通过几个生物大分子的氧化还原变化而实现的，这些大分子被称为复合物 I(NADH-泛醌还原酶)、复合物II(琥珀酸-泛酮还原酶)、复合物III(泛醌-细胞色素C还原酶)和复合物IV(细胞色素C氧化酶)，它们按照氧化还原电位的高低有序地把底物电子逐一传递，最终把电子传递给氧。作为分子马达进行研究的ATP酶实际上被称作复合物V，它和呼吸链的四个复合物共同组成线粒体的能量转化体系。呼吸链四个复合物进行的电子传递是一个放能的过程，放出的能量用于推动复合物V(ATP酶)制造ATP。

呼吸链酶系可以作为开展纳米器件特性和组装规律的典型研究材料，它具备以下几方面的优点：

（1）呼吸链酶系一直是研究生物能量转化机制的典型实验材料。 呼吸链酶系是研究生物能量转化规律的典型实验材料，国内外科学家对它已经研究了近半个多世纪。可以预言：将来制造直接利用太阳能合成面包的纳米机器人很可能要遵循从这个酶系统总结出来的原理和规律而进行组装。

（2）呼吸链中的两个关键酶(复合物III和IV)都有了晶体结构解析的结果，其分子内的电荷转移中心结构清楚，并有大量溶液结构研究数据可参考。

（3）最近我们将纯化的细胞色素C氧化酶(复合物IV)制作成固态薄膜并研究其分子内电子转移特性，发现其分子内的电子传递活性依然完好，而且其电子转移规律和文献中对该酶溶液状态研究的结果很一致。有趣的是发现制成固态薄膜的该种酶，其分子内的电子传递活性具有"电子开关"的特性，这为该种酶作为纳米器件的研究打下了基础。这种研究应该说是我们首先开始的，到目前为止尚未见有过类似的文献报道。

（4）呼吸链四个复合物中的每一个单体酶的分子内部都有各自不同的电子转移中心，它们多数是金属中心，或是某些氨基酸的功能基团。研究分子内电子转移中心的相互关系和电子在其间转移和驻留的规律，有可能发现它们具有的"分子功能器件"的特性。这种研究有可能打开一扇门，使我们看到很多生物分子所具有的纳米器件的特性，这些知识的积累将会产生组装纳米机器人的新思路。

（5）呼吸链四个复合物可以分开制成单体酶，也可以重组合制成不同的呼吸链片段，这为研究纳米器件的装配规律提供了便利。

<strong>纳米科技时代需要新型科技人才和新的管理模式</strong>

研究生物分子作为功能器件以及利用生物分子功能器件组装纳米机器人的原理和规律是一个前瞻性的研究，这里需要的是创新的思想和勇敢的探索以及新知识的累积。要有很多新型的人才在这一方向上进行创造性地开拓，因此，新型的纳米人才应当具有多学科交叉的知识和经验。更需要一大批新型管理人才，他们善于在各学科的交叉中有机地组织各方面的专家进行有效的合作。

20世纪初期嫦娥奔月的理想在世纪之末以宇航员登上月球的现实而得以实现，21世纪制造纳米机器人的理想也将在纳米科技的发展中逐步变成现实。