納米機器人工程

納米機器人工程是一個新興的跨學科領(lǐng)域，它匯集了不同的學科，包括納米級建模和納米制造工藝。

特別是近年來，經(jīng)典機器人學的進步將感知和操縱物質(zhì)的能力擴展到了從宏觀到微觀，直至單個原子的各種尺度。在這一特定領(lǐng)域，技術(shù)正朝著更大程度地逐個原子控制物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。

微型化--無論在何種情況下應用--都需要先進的技術(shù)，以保證物質(zhì)在空間中的最佳嵌入。

例如，在醫(yī)療領(lǐng)域應用納米機器人技術(shù)的具體案例中，僅將納米機器人置于人體內(nèi)部是不夠的。最重要的是，必須能夠利用特定的生理和解剖條件，使它們移動、引導它們。要做到這一點，還需要利用生理學、物理學和納米技術(shù)等學科。

在我國，還沒有真正意義上的納米機器人工程學課程。不過，仿生工程碩士學位課程是這一學科的一個參照點，其師資隊伍位于圣安娜超級學院和比薩大學的盧卡阿爾蒂研究學院（Scuola IMT Alti Studi Lucca）。

這是一個為期兩年的教學計劃，在比薩大學工程學院和圣安娜學院生物機器人研究所的實驗室中開設理論和實踐課程。

除了學習生物機器人和神經(jīng)工程科學與技術(shù)的基礎(chǔ)知識外，學生還將通過與醫(yī)學、生物學和神經(jīng)科學等領(lǐng)域的科學家以及康復和外科領(lǐng)域的專家對話，接受多學科研究方面的培訓。

學習該課程的學生將在各種教育體驗中接受挑戰(zhàn)，包括與納米機器人的設計、開發(fā)和測試有關(guān)的體驗。

該課程還提供兩種不同的課程：神經(jīng)工程課程側(cè)重于神經(jīng)儀器、神經(jīng)接口、神經(jīng)信號采集和處理、神經(jīng)網(wǎng)絡、生物啟發(fā)傳感系統(tǒng)以及模仿社會行為的機器人設計；而生物機器人課程側(cè)重于開發(fā)仿人和仿動物機器人模型、納米機器人、可穿戴機器人、可植入仿生器官、人工上下肢、用于診斷、手術(shù)和康復的機器人和平臺。

將納米機器人放入人體內(nèi)是不夠的。最重要的是，有必要能夠利用特定的生理和解剖條件來引導他們的運動。

納米機器人技術(shù)的未來（和懸而未決的問題）

盡管納米機器人技術(shù)充滿活力，但它還是一個年輕的研究領(lǐng)域，目前仍處于研究和實驗階段。它尚未走出實驗室。盡管它已經(jīng)確定了自己的主要興趣領(lǐng)域，但正如我們已經(jīng)充分說明的那樣，目前其中最突出的是醫(yī)學。

未來，納米機器人將應用于臨床實踐。有鑒于此，科學家們已經(jīng)確定了下一個研究目標，即制造出更小更靈活的納米機器人--結(jié)構(gòu)尺寸為 20×100 納米（0.00002×0.0001 毫米）--以便在無需活檢的情況下對器官內(nèi)外進行更精確的探索和細胞檢查。其目的是使納米機器人成為通過早期診斷預防某些疾病的工具。

除了這些目標之外，科學界還將兩個重要問題提上了議事日程。第一個問題涉及納米機器人在血液中的生物降解能力（目前的模型無法自主降解，因此在向體內(nèi)釋放藥物后，必須將其移除）：另一個未決問題涉及用于制造納米機器人的材料的安全程度，更具體地說，涉及其可能的毒性。

另一方面，第二個問題與納米裝置在人體的許多微小間隙、組織和各種液體中的運動有關(guān)。迄今為止設計的納米機器人的運動有幾個關(guān)鍵問題。

歐洲的 CELLOIDS 項目于 2021 年 2 月 1 日啟動，截止日期為 2026 年 1 月底。該項目對這一懸而未決的問題進行了干預，提出了制造可在人體各部位自主移動的納米機器人的建議。

我們了解到，在這個項目中，研究人員將借鑒免疫系統(tǒng)細胞的行為，其中一些細胞能夠不斷改變自己的身體形狀以適應環(huán)境，從而能夠穿透生物組織的所有間隙。

關(guān)于迄今為止進行的實驗室測試，去年 3 月，即兩個月前，《科學機器人》雜志報道了首次觀察到納米機器人群在活鼠體內(nèi)移動的消息。

這是加泰羅尼亞生物工程研究所與巴塞羅那自治大學合作進行的一項研究，被認為是朝著將納米機器人應用于人體臨床實踐邁出的決定性一步。

所觀察到的納米機器人可以在小鼠膀胱內(nèi)自主移動，以非侵入性和無痛的方式利用小鼠尿液中的尿素作為燃料進行探索。

利用顯微鏡和 PET（正電子發(fā)射斷層掃描）技術(shù)進行的觀察顯示，納米機器人分布均勻，集體運動協(xié)調(diào)高效。研究小組強調(diào)說，這是一個好消息，預示著這些納米設備在人類診斷和治療方面的有效性。

在未來的醫(yī)學中，納米機器人在血管內(nèi)發(fā)揮作用，檢測并消除阻礙正常循環(huán)的血栓。

利用 DNA 模塊制造納米機器人

此外，在醫(yī)療領(lǐng)域（首選應用領(lǐng)域），2018 年啟動、2022 年圓滿結(jié)束、目前處于實驗階段的歐洲研究項目 DNA-Robotics 也在朝著能夠在人體所有類型的間隙、組織和液體中移動的更加靈活的納米機器人的方向發(fā)展。

該項目的核心是 DNA 生物大分子的自組裝特性，以便產(chǎn)生納米級機器人系統(tǒng)，從而在治療腫瘤疾病的一系列應用中獲益，如上所述，腫瘤是納米醫(yī)學的最大治療領(lǐng)域。

使用 DNA 片段的納米機器人技術(shù)是目前流行的一種研究方法，因為它也著眼于納米設備在體內(nèi)的生物可降解性目標，同時還能實現(xiàn)納米機器人的許多基本功能，包括目標檢測和靈活移動。

德國慕尼黑工業(yè)大學（TUM）是該歐洲項目的合作伙伴，其研究人員在最初階段使用類似小方塊的DNA模塊來開發(fā)納米機器人的各個部分，每個部分都具有不同的特性和功能。

在下一階段，研究小組將小方塊轉(zhuǎn)化為計算機模型，以評估納米機器人各個部分組裝成一個完整的納米機器人系統(tǒng)的效果。

最終，研究轉(zhuǎn)向一種不再基于小立方體DNA模塊的計算機模型，而是一種涉及使用所謂 "囊泡 "的技術(shù)。"囊泡 "是細胞膜內(nèi)的一種袋狀有機結(jié)構(gòu)，可用作 "支架"，圍繞它可以構(gòu)建一系列納米機器人模塊，包括一種能夠?qū)⑿畔募{米結(jié)構(gòu)的一點傳輸?shù)搅硪稽c的管狀結(jié)構(gòu)。