納米機(jī)器人醫(yī)生：理念、困難、前景

一、什么是納米機(jī)器人醫(yī)生

我們都去看過病。

你坐在門診部，不耐煩的等待叫號(hào)。

然后坐在醫(yī)生面前，戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢的述說你的問題，生怕講的快了慢了醫(yī)生不開心。

醫(yī)生問點(diǎn)問題，然后摸摸這里，敲敲那里，再聽一聽聲音，看一看嗓子；然后跟你講幾句話，開個(gè)方子，讓你去做檢查。

你繳費(fèi)、等待，然后撩起衣服，拖下鞋子，鉆進(jìn)機(jī)器里，或者讓針頭在你身上戳個(gè)洞。

又是等待。

再找醫(yī)生看結(jié)果，拿方子，繳費(fèi)，拿藥。

回家后一天幾次的吃藥。幸運(yùn)的話，病好了，再次生龍活虎。或者再重復(fù)以上步驟。

你總覺得這個(gè)過程還可以再改善一下：能不能不要等待，不要花錢，不要吃藥，不要檢查？

要是能像皇帝一樣，讓醫(yī)生常駐在家里，時(shí)時(shí)給自己監(jiān)控健康，甚至能夠在疾病來臨之前就解決問題。

你抽自己一個(gè)嘴巴。想什么呢？

但其實(shí)，這樣的想法不是天方夜譚，從上世紀(jì)中葉開始開始，科學(xué)家和工程師們就已經(jīng)在幫你努力了。

我們說的不是給每個(gè)人配一個(gè)太醫(yī)院，而是開發(fā)一種能夠在血液中巡游、診斷、治病、做手術(shù)的機(jī)器。

這就是納米機(jī)器人醫(yī)生。

顧名思義，納米機(jī)器人醫(yī)生就是具備醫(yī)生功能的納米尺度的機(jī)器人。1納米，是1米的十億分之一，是1微米的十分之一，1毫米的一千分之一。

或許你很難直觀想象這些數(shù)字和背后的尺度。我舉幾個(gè)例子：1納米，大概是三個(gè)原子的大小。而一個(gè)病毒，大約是幾十到上百個(gè)納米。PM2.5的灰塵大小是幾個(gè)微米，紅細(xì)胞也大概這么大，也就是幾十納米。頭發(fā)絲大約是50-100微米，也就是500-1000個(gè)納米粗。

不同類型的納米機(jī)器人大小不一，粗略地說可能是幾十納米到幾十微米，換句話說，就和病毒、細(xì)胞差不多大。而我們的血管粗一點(diǎn)的有1厘米，細(xì)一點(diǎn)的毛細(xì)血管甚至只有幾微米粗。而對(duì)游弋在血液中的納米機(jī)器人來說，毛細(xì)血管像走廊一樣寬敞，而動(dòng)脈就仿佛汪洋大海。

想像一下，成千上萬的納米機(jī)器人被注射進(jìn)血液后，在血液中翻滾、漂流。而大概1米左右的人體和100納米大的機(jī)器人間尺寸的差距，就好像地球和人一樣。

這樣寬廣無垠的環(huán)境，給了納米機(jī)器人大展拳腳的空間：

它們可以24小時(shí)不間斷的監(jiān)測(cè)血氧、血糖、血壓、血脂，并把身體的各種情況不斷的報(bào)告給我們，讓我們?cè)诘谝粫r(shí)間就對(duì)自己的健康了如指掌。

如果納米機(jī)器人發(fā)現(xiàn)我們的身體出現(xiàn)了任何異常，比如發(fā)現(xiàn)了病原體、病變，甚至基因突變等，除了第一時(shí)間上報(bào)，納米機(jī)器人還可以利用身上攜帶的各種工具和武器，消滅異物，保家衛(wèi)國(guó)。

而如果有了血栓、息肉、骨質(zhì)增生，甚至腫瘤等 “壞東西”， 納米機(jī)器人還可以呼朋引伴，團(tuán)結(jié)協(xié)作，或是切削，或是消融，或者釋放藥物，十八般兵器一起招呼，解除風(fēng)險(xiǎn)。

完成了工作，納米機(jī)器人甚至不需要休息，繼續(xù)全身心的游來游去，耳聽六路、眼觀八方，替我們守護(hù)健康。

而當(dāng)它們到了失效的時(shí)候，我們可以讓它們集合，從身體中排出來，再換新的一批納米機(jī)器人上崗。

這簡(jiǎn)直就是把醫(yī)生--不，甚至是醫(yī)院--裝進(jìn)了我們的身體里。更厲害的是，這整個(gè)過程，甚至在我們毫不知情的情況下，納米機(jī)器人就自己發(fā)現(xiàn)并解決了所有的問題！

這就是大家津津樂道、孜孜不倦研究的納米機(jī)器人：能夠在體內(nèi)自由游動(dòng)、并執(zhí)行診療功能的人造微納米器械。我知道，這些聽上去很美很科幻，我也知道現(xiàn)在還沒有這么神奇的裝置。但幾十年來，來自全球各地、各個(gè)領(lǐng)域的無數(shù)科學(xué)家和工程師，正在奮勇爭(zhēng)先，夢(mèng)想能夠攻克這個(gè)納米技術(shù)的圣杯。

二、開發(fā)納米機(jī)器人醫(yī)生的關(guān)鍵問題

以上描述的這種納米機(jī)器人，足以被稱為劃時(shí)代的變革性技術(shù)。一旦開發(fā)成功，會(huì)讓醫(yī)學(xué)發(fā)生翻天覆地的變化，并對(duì)整個(gè)社會(huì)和人類文明的發(fā)展產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響和沖擊。

當(dāng)今世界，納米技術(shù)突飛猛進(jìn)，芯片廠商都已經(jīng)在開發(fā)幾納米的芯片了；而一些公司制造的機(jī)器人也可以上天入地，飛檐走壁。既然如此，那強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，制造出納米機(jī)器人似乎也不是不可能的任務(wù)。

此外，雖然醫(yī)學(xué)發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上包治百病，但我們現(xiàn)在所掌握的先進(jìn)的診療理論和方法，遠(yuǎn)非幾十年前可比。因此，投入足夠的經(jīng)費(fèi)和人力，似乎足以把最前沿的診療工具安裝到精密制造的納米機(jī)器人上，然后注入到人體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)上面這些科學(xué)幻想般的場(chǎng)景。

那為什么2022年，我們?cè)卺t(yī)院還見不到納米機(jī)器人？究竟是什么制約了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展呢？

如同電、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等其他變革性的技術(shù)一樣，納米機(jī)器人的發(fā)展也遇到了基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)兩方面的重重挑戰(zhàn)。雖然過去的二十年里，納米機(jī)器人的研究獲得了爆炸式的發(fā)展，但仍然有一些關(guān)鍵的科學(xué)和技術(shù)問題亟待突破。

從根本上，納米機(jī)器人面臨以下兩大核心困難：

-“粘稠的水”

首先，納米機(jī)器人醫(yī)生是游弋于血液和體液中的。我們都很熟悉宏觀世界的水，它時(shí)而溫柔，時(shí)而狂躁，時(shí)而清澈，時(shí)而混沌。然而，我們從來不會(huì)覺得水很“粘稠”。例如，如果一門課沒有內(nèi)涵，內(nèi)容“稀薄”，我們會(huì)說它很“水”。

而在微觀世界，物體通常很小，動(dòng)的也很慢，所以慣性非常小。相比之下，“稀薄”的水仿佛也變得十分粘稠。這樣的流體環(huán)境，我們叫做“層流”：流體很平靜、很“絲般潤(rùn)滑”。請(qǐng)想象一下從瓶子里往外倒糖漿或者蜂蜜的時(shí)候，那種流體的狀態(tài)。微納米尺度的細(xì)菌、細(xì)胞、病毒，以及我們的納米機(jī)器人所面對(duì)的液體環(huán)境，正是如此。

可是絲滑、平靜的流體不正利于機(jī)器人游動(dòng)嗎？難道它更喜歡波濤洶涌的環(huán)境？

可怕的不是“絲滑”，而是“粘稠”。

想象一下我們的輪船、汽車是如何運(yùn)動(dòng)的：馬達(dá)、電機(jī)讓車輪、槳葉旋轉(zhuǎn)，克服摩擦，推動(dòng)物體向前運(yùn)動(dòng)。這樣的驅(qū)動(dòng)方式蘊(yùn)含著兩個(gè)根本要素：一、因?yàn)橛袘T性，所以馬達(dá)、電機(jī)雖然循環(huán)往復(fù)動(dòng)，也可以讓物體向前運(yùn)動(dòng)；二，還是因?yàn)橛袘T性，因此不需要一直推動(dòng)物體，也能夠讓物體保持向前運(yùn)動(dòng)。

而在微觀世界的“層流”中，物體的慣性非常小，液體很粘稠，所以上述兩個(gè)效應(yīng)都失效了：

循環(huán)往復(fù)的驅(qū)動(dòng)方法（例如發(fā)動(dòng)機(jī)、槳葉，甚至人的游泳姿勢(shì)）都無法讓物體前進(jìn)，而只會(huì)在原地進(jìn)-退-進(jìn)-退。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者E. M. Purcell在1973年給這樣的問題起了個(gè)名字，叫做“扇貝定律”：即在微觀尺度，像扇貝那樣循環(huán)往復(fù)的開閉殼，是沒辦法游動(dòng)的?！吧蓉惗伞币馕吨枰_發(fā)全新的方法來讓納米機(jī)器人游動(dòng)。

扇貝定律 [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.]

對(duì)于宏觀世界的汽車、輪船來說，燒一會(huì)兒燃料再關(guān)閉，車和船也能繼續(xù)前進(jìn)，因此不必一直消耗燃料。然而，在微觀液體中，由于慣性很小，一旦撤去驅(qū)動(dòng)力，物體會(huì)幾乎瞬間停止運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)再向前“滑行”。因此，納米機(jī)器人每時(shí)每刻都要“開著發(fā)動(dòng)機(jī)”，這要額外消耗大量的能量。除了低效以外，還產(chǎn)生了其他問題：這么多的能量從哪來？是自己攜帶還是從環(huán)境中提取？是否會(huì)排放廢物？有沒有發(fā)熱問題？

-“狂躁的水”

剛剛提到，在微觀尺度，水看上去像“絲般順滑”，仿佛糖漿一樣粘稠。但這只是表象。再放大一千倍、一萬倍，我們會(huì)看到無數(shù)水分子在瘋狂勁舞，好像在迪廳一樣彼此碰撞。此時(shí)如果有一個(gè)納米機(jī)器人混跡其中，就會(huì)被熱舞的水分子撞得七扭八歪。

布朗運(yùn)動(dòng)【www.baike.com】

1872年，英國(guó)植物學(xué)家羅伯特·布朗首次觀察到懸浮在水中的花粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡是無規(guī)則的。后人就把這種被水分子（或者其他環(huán)境中的粒子）撞擊所產(chǎn)生的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)稱為“布朗運(yùn)動(dòng)”。

水表面上柔順，內(nèi)心狂野，所產(chǎn)生的布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)納米機(jī)器人來說，可能是致命的。因?yàn)樯厦嫣岬降娜魏我环N納米機(jī)器人的應(yīng)用，不論是監(jiān)測(cè)、釋藥、微手術(shù)這種操作，還是簡(jiǎn)單的巡游、前往特定的目的地，都需要納米機(jī)器人能夠控制運(yùn)動(dòng)的速度和方向。

如果汽車和潛艇在運(yùn)行過程中被周圍的物體撞來撞去，時(shí)快時(shí)慢，忽左忽右，那簡(jiǎn)直就是噩夢(mèng)一樣的場(chǎng)景。布朗運(yùn)動(dòng)就是這樣的噩夢(mèng)。

更糟糕的是，布朗運(yùn)動(dòng)不僅無法消除，而且物體越小布朗運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈。這也好理解：在舞廳里走來彪形大漢，可能大家怎么撞都不會(huì)移動(dòng)分毫；而身材弱小的人卻會(huì)被撞的七葷八素、行跡飄忽。

因?yàn)榧{米機(jī)器人尺寸很小，它受到的布朗運(yùn)動(dòng)非常強(qiáng)烈?？梢院?jiǎn)單的估算出，直徑100納米的機(jī)器人，在1秒鐘之內(nèi)會(huì)被布朗運(yùn)動(dòng)“撞”出1.5倍身長(zhǎng)距離之外。所以，納米機(jī)器人在血液中不會(huì)走直線，而是會(huì)像一個(gè)醉漢一樣，在血液中東游西蕩。這就對(duì)控制提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

我們恐怕不希望肚子里有個(gè)“醉漢”醫(yī)生吧！

三、納米機(jī)器人醫(yī)生的現(xiàn)在和未來

粘稠的水，狂躁的水，為納米機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和控制提出了根本性的挑戰(zhàn)。近二十年來，圍繞著開發(fā)有效的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，和開發(fā)控制納米機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和速度的方法，已經(jīng)產(chǎn)生了大量的研究成果。但除了這兩個(gè)問題，針對(duì)納米機(jī)器人醫(yī)生在體內(nèi)的診療應(yīng)用，還有許多困難尚未解決。

其中，有些困難是科學(xué)難題，例如讓納米機(jī)器人在體液環(huán)境中高效驅(qū)動(dòng)的新機(jī)制、納米機(jī)器人集群協(xié)作機(jī)制、納米機(jī)器人與生物環(huán)境的交互規(guī)律等。有些困難是技術(shù)難題，例如提高成像手段的空間和時(shí)間分辨率（也就是讓相機(jī)能夠看到很小的機(jī)器人，并且能夠很快的捕捉它們的運(yùn)動(dòng)），開發(fā)能夠在體內(nèi)實(shí)時(shí)操控納米機(jī)器人的方法，提升納米機(jī)器人的生物相容性等。本系列的后續(xù)文章還會(huì)詳細(xì)討論這些問題的科學(xué)、技術(shù)內(nèi)涵，和目前學(xué)術(shù)界的進(jìn)展與挑戰(zhàn)。

相比起上世紀(jì)中葉納米機(jī)器人醫(yī)生剛剛出現(xiàn)在科幻小說和電影中的時(shí)候，我們現(xiàn)在對(duì)納米機(jī)器人的了解已經(jīng)不可同日而語(yǔ)?？蒲腥藛T開發(fā)出了許多種利用化學(xué)燃料、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光、超聲波等方法驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，并且成功的將它們植入了小鼠、兔子體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了藥物的可控釋放、體內(nèi)成像、光熱治療等功能。按照這樣的發(fā)展速度，在可預(yù)見的將來，或許真的能夠?qū)崿F(xiàn)本文開頭的關(guān)于納米機(jī)器人醫(yī)生的想象！

微納米機(jī)器國(guó)際會(huì)議合影

未來是多久？現(xiàn)在并不好說，說不定還需要幾代人的努力。正在讀本文的青年科學(xué)愛好者們，真誠(chéng)的歡迎你們加入我們，為解決這個(gè)21世紀(jì)皇冠上的問題而努力，為改變?nèi)祟惿鐣?huì)的命運(yùn)而努力！