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探索微观世界的机器人

大学仕 2021-06-01 14:32

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　　不久前，包括我们中国社会科学家在内的一个企业国际管理团队开发了学生一种比头发直径还小的“微型纸鹤”。在电压的作用下，不到一秒钟就可以自动从飞机上折叠起来。作为一种新型的微执行器，这款充满想象力的纸鹤是微纳机器人研发的又一突破口，有助于未来在微纳层面完成复杂精细的工作。
　　人们早就想象出了微纳机器人。20世纪60年代，科幻电影《神奇旅程》描述了“微型潜艇”的冒险，它被缩小到只有细胞大小，进入人体。在现实世界中，科学家们从未停止研究能够在毫米、微米甚至纳米尺度上执行特定操作的机器人。
　　目前，国际上对微纳机器人的尺寸问题没有进行统一、严格的定义。研究工作人员通常将1毫米至1厘米之间的机器人进行身体结构尺寸可以称为一个毫米机器人，1微米至1毫米称为微米机器人，1纳米至1微米技术称为中国纳米智能机器人，后两者统称为微纳机器人。微纳机器人的研究方法属于一个交叉管理学科教育领域，机器人学、材料学、物理学、化学、生物学、医学等学科的新发展理念将为微纳机器人的发展学生提供重要动力。
　　微纳机器人由于体积小，在发展过程中面临能量、驱动和控制三大挑战。与宏观机器人不同，微纳机器人不能由外部电线或电池供电，也不能加载电机产生运动。此外，在微环境中，如何根据指令观察和远程控制微纳机器人的运动和操作也是一个有待克服的难题。为了解决这些问题，科学家们开展了微纳机器人的研究，包括磁力驱动、光驱动、热驱动、化学驱动微纳机器人和微生物机器人。
　　微纳机器行为人主要由微纳材料可以制成，其结构有球形、饼形、螺旋形、笼形、类细菌等，微生物进行机器人以微生物通过细菌、藻类植物细胞或白细胞为微机器人，结合企业自身的运动功能特性和外界环境刺激来控制其运动。
由于其超小的尺寸，微纳机器人可以在传统设备无法到达的微观环境中移动和执行操作。例如，微纳机器人可以进入微流控芯片进行显微操作和微结构组装，可以进入生物体的天然空腔或血管进行检测和药物输送，甚至可以进入单细胞测量细胞核的杨氏模量。微纳机器人还可以“协同作战”，科学家可以控制自己的小组改变配置，通过狭窄的管道到达目标位置释放药物。目前，微纳机器人技术已经发展成为一个研究工作人员进行探索微观世界新现象和新机制的助手，但其结构仍然相对简单，功能有限。未来，如果微纳机器人能够实现生物细胞中类似分子机器的复杂性和功能，有望帮助人类编辑DNA分子，在分子水平上治疗疾病，从微观到宏观构建材料结构，甚至开发新的生物能。一方面，微纳机器人的发展需要在相关学科上不断突破，另一方面也需要向自然学习。从大自然和生命的奇妙智慧中获得启发。