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被低估的纳米机器人,带来可以颠覆未来的想像,看看它们都可以做什么?

www.cechina.cn2022.08.08阅读 1002

  基于纳米技术的纳米机器人正在拓宽人类物质世界的边界,并且以很多种不同的方式重塑制造、医疗等领域的概念,带来可以颠覆未来的想像。
  当前,随着人们更深入地探索由分子和纳米粒子构成的表层量子宇宙,科技的发展正朝着微观世界延伸而去,并重新想象各种可能性。许多人可能并没有意识到,纳米技术已经在为我们生产各种日用品了。
  现在的很多防晒霜就含有纳米粒子,它们可以帮助吸收危险的紫外线,另外,纳米粒子还可以更平滑地覆盖在人体皮肤表面。类似的纳米粒子还被使用在食品的包装上,以减少紫外线对食品的照射,从而延长食品的保质期。有些用于碳酸饮料的塑料瓶现在也含有纳米黏土,而这种材料可以让碳酸饮料的保质期延长数月之久。当然,纳米技术的意义远不止于此。
  基于纳米技术的纳米机器人正在拓宽人类物质世界的边界,并且以很多种不同的方式重塑制造、医疗等领域的概念,带来可以颠覆未来的想像。
  1、3D打印和纳米机器人
  3D打印是根据产品的数字特征,逐层制造产品的技术。制造时先铺设一层超薄的底层材料,然后层层香加,直到形成完整的立体产品。当然,3D打印不仅限于对消费者进行扫描,然后制作成可以放在婚礼蛋糕上或者共他任何地方的玩偶,尽管这看上去非常新潮。
  更重要的是,3D打印作为先进制造技术,是未来制造的必经之路控制工程网版权所有,其颠覆效果至少不低于20 世纪的流水线生产。比如,在医学领域,3D打印能够为患者制造钛合金下颚,包括与真实颌骨相连接的铰接关节,可以容纳静脉和神经再生的凹槽等。3D打印在假肢制造也具有无可比拟的优势。
  使用3D打印的另一个例子则是制造原型产品,比如,在风洞中进行测试的飞机原型。3D打印之所以被广泛用于原型生产,而不是后线的大规模生产的一个原因是,原型生产更强调灵活性,而大规模生产则更强调效率。在生产效率方面,3D打印暂时还无法与传统的制造方法相比。
  与此同时,另一个横亘在3D打印技术前的障碍,就是3D打印技术的精度问题。不可否认,3D打印许诺了人们一个美好的制造前景。未来,当我们想要购买时,或许,我们只需要收到一份该产品的数字设计图文件,然后只要将该文件输人我们自己的便携式多功能 3D打印机,就可以快速将它生产出来。但不可忽略的因素是,3D打印的精度,决定了最终产品的质量。
  当然,现在的3D打印设备所使用的原材料范围非常有限,并且其精度对很多应用来说都不够。通用3D打印技术的发展只有达到纳米技术领域www.cechina.cn,即以原子或分子的精度操控物质,或者是在操控物质时控制工程网版权所有,其某一个空问的维度至多延伸100纳米,才能够满足原子级的精确制造。
  而从3D打印机到原子精确制造,精度上将有一个非常大的跨度。比如,制造下颚的先进 3D 打印机,其打印的每层厚度约为30微米,相当于100000层原子的厚度,因此,要想每次只控制一层原子CONTROL ENGINEERING China版权所有,意味着精度要提高100000倍。
  对于未来制造而言,一个不可回避的问题是,人类最终能实现哪种程度上的原子精确制造?而人们把这个问题聚焦于纳米层面的原因在于,纳米尺度要比显微尺度小1 000倍,并且比我们每天体验到的米级尺度的世界小10亿倍。这与我们所知的宏观世界截然不同,纳米是一个度量微观世界的长度单位,纳米特殊的长度,也赋予了纳米特殊的性质。
  而要想实现高精度的原子精确制造,其中的一个可行性,就是纳米机器人——纳米机器人的手臂,可以把分子片段或单个原子输送并安置到指定位置,其中的关键就是机器人手臂尖端的化学性质。
  不过,对于原子精确制造在生物学之外的可行性,纳米技术专家们则有不同的观点。美国国家科学院2006年的一份报告表达了这种不确定性:
  “如今,尽管可以从理论上计算,但是还不能可靠地预测化学反应最终可达到的周期范围、错误率、反应速度,以及这种自下而上的制造系统中的热力学效率。因此,虽然可以从理论上计算所制造产品的完美性和复杂性,但还不能准确地预测实际产品性能。”
  2、纳米机器人都能做什么?
  1)改变生命的可能
  除了在精度制造领域有所作为,纳米机器人更具有前景的应用,则表现在医疗领域——实际上,人体才是这个世界上最为精密的机器。
  在人体中只有43%的细胞是人体细胞,而其他细胞都是极其微小的“殖民者”,这些细胞包括数以万亿计的细菌、病毒、霉菌以及古生菌。这也给纳米机器人提供了一个广阔的用武之地。显然,在这些除了人体细胞之外的微生物中,再添加数百万个纳米机器人并不是一件不可能实现的事情,更何况纳米机器人还能够改善我们的生活和健康状况。
  纳米机器人将能够穿越血液,然后进入或接近细胞,执行各项任务,如清除毒素,清扫细胞碎片,纠正DNA 错误,修复和恢复细胞膜,逆转动脉粥样硬化,调节激素、神经递质和其他代谢物的水平,以及其他许多任务。
  2)可用于清除水道中的化学污染物
  微型机器人可以提供一种新的方式来收集水中的化学污染物。由于采矿等工业活动,世界各地的水源已被杀虫剂和重金属污染物所污染。水中的污染物可能对人类和环境有害。
  3)精准搏杀肿瘤细胞
  北京航空航天大学机械工程及自动化学院“卓越百人”副教授、博士生导师冯林课题组,研究出了一种新的更为智能的肿瘤靶向机器人。它有了伪装,还有了导航,能够在磁场的驱动下,精准抵达战场,投掷杀伤肿瘤的弹药。
  4)牙科纳米机器人
  印度科学研究所(IISc)的研究人员开发了一种牙科螺旋磁性纳米机器人,可以在根管治疗期间到达目前临床治疗过程中不可能到达的深度,从而帮助彻底杀死牙本质小管深处的细菌,以提高根管治疗的成功率。
  5)给脑部送药
  哈工大研究团队首次实现游动微纳米机器人对脑胶质瘤的主动靶向治疗。据了解,游动微纳米机器人(Neutrobot)通过中性粒细胞吞噬大肠杆菌膜包裹的磁性载药水凝胶制备而成。该游动微纳米机器人可有效且稳定地携带紫杉醇等抗癌药物,依靠自主研发的控制系统将游动微纳米机器人引导到脑部区域CONTROL ENGINEERING China版权所有,抵达脑胶质瘤区域的机器人可自主感知病原信号并穿越血脑屏障后游动到病患位点,将药物精准地释放到病患处,显著提高了药物的靶向效率。
  毫无疑问,未来纳米机器人将被运用于更多生活场景,或许它小小的身材释放的巨大能量来改变人类的工作、生活方式。

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