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!