关于纳米机器人的论文123

关 于 纳 米 机 器 人 的 论 文 摘 要 ： “纳 米 机 器 人 ”的 研 制 属 于 分 子 仿 生 学 的 范 畴 ， 它 根 据 分 子 水 平 的 生 物 学 原 理 为 设 计 原 型 ， 设 计 制 造 可 对 纳 米 空 间 进 行 操 作 的 “功 能 分 子 器 件 ”。 纳 米 生 物 学 的 近 期 设 想 ， 是 在 纳 米 尺 度 上 应 用 生 物 学 原 理 ， 发 现 新 现 象 ， 研 制 可 编 程 的 分 子 机 器 人 ， 也 称 纳 米 机 器 人 。 纳 米 生 物 学 的 产 生 是 与 SPM 的 发 明 和 在 生 命 科 学 中 的 应 用 分 不 开 的 。 生 命 过 程 是 已 知 的 物 理 、 化 学 过 程 中 最 复 杂 的 事 情 。 不 同 于 宏 观 生 物 学 ， 纳 米 生 物 学 是 从 微 观 的 角 度 来 观 察 生 命 现 象 、 并 以 对 分 子 的 操 纵 和 改 性 为 目 标 的 。 纳 米 生 物 学 发 展 时 间 不 长 就 已 经 取 得 了 可 喜 的 成 绩 。 生 物 科 学 家 在 纳 米 生 物 学 领 域 提 出 了 许 多 富 有 挑 战 性 的 新 观 念 。 纳 米 生 物 学 的 加 工 技 术 可 以 向 生 物 细 胞 学 习 。 纳 米 生 物 学 的 设 想 ， 是 在 纳 米 尺 度 上 应 用 生 物 学 原 理 ， 发 现 新 现 象 ， 研 制 可 编 程 的 分 子 机 器 人 ， 也 称 纳 米 机 器 人 。 涉 及 的 内 容 可 归 纳 为 以 下 3 个 方 面 ： 在 纳 米 尺 度 上 了 解 生 物 大 分 子 的 精 细 结 构 及 其 与 功 能 的 联 系 。 在 纳 米 尺 度 上 获 得 生 命 信 息 。 纳 米 机 器 人 的 研 制 。 正 文 ： 纳 米 物 理 学 家 在 世 纪 之 交 畅 想 了 纳 米 科 技 发 展 的 未 来 ， 它 的 主 调 纳 米 科 技 的 发 展 将 使 得 人 类 可 以 直 接 操 纵 原 子 ， 从 而 实 现 人 们 的 很 多 梦 想 ， 如 制 造 仅 有 少 数 原 子 构 成 的 微 型 纳 米 机 器 人 ， 它 们 可 以 游 走 在 血 管 中 吃 掉 沉 积 在 血 管 壁 上 的 垃 圾 ， 它 们 可 以 游 走 在 组 织 间 定 向 地 识 别 和 杀 死 癌 细 胞 ， 它 们 可 以 直 接 利 用 太 阳 能 制 造 面 包 ， 甚 至 于 纳 米 机 器 人 可 以 自 行 复 制 等 等 。 这 些 听 上 去 似 乎 是 天 方 夜 谭 的 畅 想 其 实 也 并 非 不 着 边 际 ， 分 子 仿 生 学 就 是 一 门 可 以 使 研 制 纳 米 机 器 人 成 为 现 实 的 新 学 科 。 （ 一 ） 、 研 制 “纳 米 机 器 人 “将 成 为 纳 米 科 技 时 代 的 重 要 内 容 之 一 物 理 学 家 总 是 模 拟 生 物 学 原 理 制 作 各 种 灵 巧 的 机 器 ， 这 就 是 仿 生 学 。 仿 生 学 是 生 物 物 理 学 的 一 个 分 支 学 科 ， 它 按 照 生 物 学 原 理 提 出 设 计 原 型 ， 制 造 用 于 特 殊 目 的 的 功 能 器 件 。 “纳 米 机 器 人 “的 研 制 属 于 分 仿 生 学 的 范 畴 ， 它 根 据 分 子 水 平 的 生 物 学 原 理 为 设 计 原 型 ， 设 计 制 造 可 对 纳 米 空 间 进 行 操 作 的 “功 能 分 子 器 件 ”。 事 实 上 ， 细 胞 就 是 一 个 活 生 生 的 纳 米 机 器 。 酶 是 细 胞 中 种 类 最 多 和 最 活 跃 的 分 子 ， 每 一 个 酶 分 子 也 是 一 个 个 活 生 生 的 纳 米 机 器 人 。 酶 分 子 催 化 底 物 反 应 时 ， 其 蛋 白 分 子 不 同 结 构 域 之 间 的 相 对 运 动 就 象 是 微 型 人 在 移 动 和 重 新 安 排 底 物 分 子 的 原 子 排 列 顺 序 。 细 胞 中 的 很 多 结 构 单 元 都 是 执 行 某 种 功 能 的 微 型 机 器 ： 核 糖 体 是 按 照 基 因 密 码 的 指 令 安 排 氨 基 酸 顺 序 制 造 蛋 白 质 分 子 的 加 工 器 ； 高 尔 基 体 是 给 新 制 造 的 蛋 白 质 进 行 修 饰 的 加 工 厂 ； 加 工 好 的 蛋 白 质 可 以 按 照 信 号 肽 的 指 令 由 膜 囊 泡 运 送 到 确 定 的 部 位 发 挥 功 能 ； 完 成 了 功 能 使 命 的 蛋 白 质 会 被 贴 上 标 签 送 去 被 水 解 成 氨 基 酸 成 为 合 成 新 蛋 白 的 原 材 料 。 细 胞 的 生 命 过 程 就 是 这 样 一 批 又 一 批 功 能 相 关 的 蛋 白 质 组 群 不 断 替 换 更 新 行 使 功 能 的 过 程 ， 这 些 生 命 过 程 所 需 的 一 切 能 量 来 自 太 阳 。 植 物 叶 子 中 的 叶 绿 体 是 利 用 太 阳 能 制 造 粮 食 的 加 工 厂 ； 线 粒 体 是 把 粮 食 中 储 存 的 太 阳 能 释 放 出 来 制 造 成 能 量 货 币 ATP 的 车 间 ； 我 们 每 人 每 天 都 要 消 耗 相 当 于 自 身 体 重 那 么 多 的 ATP 分 子 以 支 持 我 们 的 生 命 活 动 和 繁 忙 的 工 作 。 细 胞 中 发 生 的 所 有 这 一 切 都 是 按 照 DNA 分 子 中 的 基 因 密 码 序 列 指 令 而 井 然 有 序 地 进 行 的 。 纳 米 技 术 可 以 仿 照 细 胞 生 命 过 程 的 各 个 环 节 制 造 出 各 种 各 样 的 微 型 机 器 人 ， 可 以 预 料 就 在 21 世 纪 很 多 意 想 不 到 的 微 型 机 器 人 将 出 现 在 人 类 生 活 的 各 个 方 面 ， 直 接 或 间 接 地 服 务 于 人 类 。 （ 2） 、 制 造 纳 米 机 器 人 不 是 从 单 个 原 子 堆 积 做 起 理 论 上 讲 纳 米 机 器 人 是 大 量 原 子 或 分 子 按 确 定 顺 序 聚 集 而 成 为 具 有 确 定 功 能 的 微 型 器 件 ， 但 制 造 纳 米 机 器 人 不 一 定 是 从 “零 “开 始 。 机 器 人 是 由 零 件 组 装 而 成 的 ， 纳 米 机 器 人 的 零 件 可 以 是 单 个 的 原 子 或 分 子 ， 但 是 更 现 实 的 是 具 有 一 定 结 构 和 功 能 的 原 子 团 或 分 子 的 集 合 。 利 用 现 实 存 在 的 功 能 器 件 组 装 纳 米 机 器 人 比 从 一 个 原 子 一 个 原 子 地 构 建 机 器 人 更 为 现 实 可 行 。 生 物 分 子 是 自 然 界 存 在 的 最 丰 富 的 构 建 纳 米 机 器 人 的 零 件 的 来 源 ， 现 实 可 行 的 途 径 是 按 照 分 子 仿 生 学 的 原 理 ， 利 用 大 量 存 在 的 天 然 分 子 原 器 件 ， 设 计 组 装 纳 米 机 器 人 。 下 面 列 举 几 种 研 制 纳 米 机 器 人 的 可 能 途 径 ： 1、 化 学 模 拟 化 学 家 很 早 就 开 始 模 拟 酶 分 子 的 活 性 中 心 结 构 制 造 “模 拟 酶 “,这 实 际 上 就 是 在 研 制 纳 米 机 器 人 ， 因 为 每 一 个 酶 分 子 都 是 一 个 活 生 生 的 纳 米 机 器 人 。 但 是 化 学 家 只 模 拟 了 酶 活 性 中 心 功 能 基 团 在 空 间 位 置 上 的 配 置 ， 而 没 有 模 拟 出 功 能 基 团 在 催 化 底 物 反 应 时 出 现 的 动 作 ， 这 种 动 作 应 当 足 以 打 开 一 个 化 学 键 或 者 合 成 一 个 化 学 键 。 因 此 ， 化 学 模 拟 还 有 很 长 的 路 可 走 ， 一 旦 模 拟 出 具 有 催 化 动 作 的 “模 拟 酶 “， 化 学 合 成 的 纳 米 机 器 人 也 就 诞 生 了 。 2、 利 用 分 子 的 自 组 合 原 理 装 配 机 器 人 生 物 分 子 在 各 个 层 次 上 存 在 着 自 组 合 的 性 质 ， 利 用 分 子 的 自 组 合 特 性 装 配 纳 米 机 器 人 是 一 个 值 得 探 索 的 途 径 。 比 如 构 成 生 物 膜 的 脂 类 分 子 是 一 端 亲 水 另 一 端 疏 水 的 双 亲 性 分 子 ， 它 们 在 水 溶 液 中 会 自 组 合 成 双 分 子 层 微 囊 泡 ， 科 学 家 利 用 这 种 微 囊 泡 把 抗 癌 药 包 裹 起 来 ， 避 免 药 物 对 正 常 细 胞 的 杀 伤 作 用 。 为 了 使 包 裹 了 抗 癌 药 物 的 微 囊 泡 能 识 别 癌 细 胞 ， 科 学 家 利 用 了 抗 体 分 子 对 抗 原 分 子 的 专 一 识 别 作 用 ， 把 一 种 专 一 识 别 癌 细 胞 特 有 抗 原 分 子 的 抗 体 分 子 装 在 微 囊 泡 表 面 ， 如 此 制 成 的 药 物 载 体 如 同 “生 物 导 弹 “， 可 以 专 一 地 识 别 和 杀 死 癌 细 胞 。 3、 利 用 生 物 分 子 作 为 分 子 功 能 器 件 组 装 纳 米 机 器 人 ATP 酶 作 为 分 子 发 动 机 的 研 究 已 经 在 西 方 形 成 热 点 领 域 ， 日 本 和 美 国 双 方 已 经 呈 现 出 强 烈 的 对 峙 竞 争 局 面 。 分 子 发 动 机 问 世 的 意 义 决 不 仅 仅 是 制 造 一 种 纳 米 机 器 人 的 动 力 装 置 ， 而 是 开 辟 了 一 个 新 的 探 索 领 域 ， 这 个 领 域 就 是 研 究 生 物 分 子 作 为 微 型 机 器 人 原 器 件 的 可 能 性 。 原 则 上 所 有 的 生 物 分 子 都 是 纳 米 机 器 人 或 组 成 纳 米 机 器 人 的 零 件 ， 生 物 分 子 的 自 组 合 性 质 就 是 零 件 组 装 的 原 理 依 据 。 因 此 ， 开 展 生 物 分 子 作 为 纳 米 器 件 特 性 和 组 装 原 理 的 研 究 应 当 及 早 倡 导 和 支 持 。 呼 吸 链 酶 系 是 研 究 生 物 分 子 纳 米 器 件 和 组 装 的 好 材 料 ATP 酶 在 生 物 体 内 是 执 行 能 量 转 化 的 关 键 分 子 之 一 ， 它 和 呼 吸 链 酶 系 共 同 组 成 线 粒 体 的 能 量 转 化 体 系 。 线 粒 体 的 功 能 是 把 储 存 在 食 物 中 的 太 阳 能 取 出 来 制 造 机 体 需 求 的 “能 量 货 币 “ATP， 在 生 物 体 内 是 呼 吸 链 酶 系 推 动 ATP 酶 制 造 ATP。 如 果 把 ATP 酶 看 作 是 一 部 马 达 ， 那 么 呼 吸 链 就 如 同 连 接 马 达 和 电 源 的 导 线 。 与 导 线 不 同 的 是 ， 呼 吸 链 传 递 电 子 是 通 过 几 个 生 物 大 分 子 的 氧 化 还 原 变 化 而 实 现 的 ， 这 些 大 分 子 被 称 为 复 合 物 I(NADH-泛 醌 还 原 酶 )、 复 合 物 II(琥 珀 酸 -泛 酮 还 原 酶 )、 复 合 物 III(泛 醌 -细 胞 色 素 C 还 原 酶 )和 复 合 物 IV(细 胞 色 素 C 氧 化 酶 )， 它 们 按 照 氧 化 还 原 电 位 的 高 低 有 序 地 把 底 物 电 子 逐 一 传 递 ， 最 终 把 电 子 传 递 给 氧 。 作 为 分 子 马 达 进 行 研 究 的 ATP 酶 实 际 上 被 称 作 复 合 物 V， 它 和 呼 吸 链 的 四 个 复 合 物 共 同 组 成 线 粒 体 的 能 量 转 化 体 系 。 呼 吸 链 四 个 复 合 物 进 行 的 电 子 传 递 是 一 个 放 能 的 过 程 ， 放 出 的 能 量 用 于 推 动 复 合 物 V(ATP 酶 )制 造 ATP。 呼 吸 链 酶 系 可 以 作 为 开 展 纳 米 器 件 特 性 和 组 装 规 律 的 典 型 研 究 材 料 ， 它 具 备 以 下 几 方 面 的 优 点 ： （ 1） 、 呼 吸 链 酶 系 一 直 是 研 究 生 物 能 量 转 化 机 制 的 典 型 实 验 材 料 呼 吸 链 酶 系 是 研 究 生 物 能 量 转 化 规 律 的 典 型 实 验 材 料 ， 国 内 外 科 学 家 对 它 已 经 研 究 了 近 半 个 多 世 纪 。 可 以 预 言 ： 将 来 制 造 直 接 利 用 太 阳 能 合 成 面 包 的 纳 米 机 器 人 很 可 能 要 遵 循 从 这 个 酶 系 统 总 结 出 来 的 原 理 和 规 律 而 进 行 组 装 。 （ 2） 、 呼 吸 链 中 的 两 个 关 键 酶 (复 合 物 III 和 IV)都 有 了 晶 体 结 构 解 析 的 结 果 ， 其 分 子 内 的 电 荷 转 移 中 心 结 构 清 楚 ， 并 有 大 量 溶 液 结 构 研 究 数 据 可 参 考 。 （ 3） 、 最 近 我 们 将 纯 化 的 细 胞 色 素 C 氧 化 酶 (复 合 物 IV)制 作 成 固 态 薄 膜 并 研 究 其 分 子 内 电 子 转 移 特 性 ， 发 现 其 分 子 内 的 电 子 传 递 活 性 依 然 完 好 ， 而 且 其 电 子 转 移 规 律 和 文 献 中 对 该 酶 溶 液 状 态 研 究 的 结 果 很 一 致 。 有 趣 的 是 发 现 制 成 固 态 薄 膜 的 该 种 酶 ， 其 分 子 内 的 电 子 传 递 活 性 具 有 “电 子 开 关 “的 特 性 ， 这 为 该 种 酶 作 为 纳 米 器 件 的 研 究 打 下 了 基 础 。 这 种 研 究 应 该 说 是 我 们 首 先 开 始 的 ， 到 目 前 为 止 尚 未 见 有 过 类 似 的 文 献 报 道 。 （ 4） 、 呼 吸 链 四 个 复 合 物 中 的 每 一 个 单 体 酶 的 分 子 内 部 都 有 各 自 不 同 的 电 子 转 移 中 心 ， 它 们 多 数 是 金 属 中 心 ， 或 是 某 些 氨 基 酸 的 功 能 基 团 。 研 究 分 子 内 电 子 转 移 中 心 的 相 互 关 系 和 电 子 在 其 间 转 移 和 驻 留 的 规 律 ， 有 可 能 发 现 它 们 具 有 的 “分 子 功 能 器 件 “的 特 性 。 这 种 研 究 有 可 能 打 开 一 扇 门 ， 使 我 们 看 到 很 多 生 物 分 子 所 具 有 的 纳 米 器 件 的 特 性 ， 这 些 知 识 的 积 累 将 会 产 生 组 装 纳 米 机 器 人 的 新 思 路 。 （ 5） 、 呼 吸 链 四 个 复 合 物 可 以 分 开 制 成 单 体 酶 ， 也 可 以 重 组 合 制 成 不 同 的 呼 吸 链 片 段 ， 这 为 研 究 纳 米 器 件 的 装 配 规 律 提 供 了 便 利 。 （ 三 ） 、 纳 米 科 技 时 代 需 要 新 型 科 技 人 才 和 新 的 管 理 模 式 研 究 生 物 分 子 作 为 功 能 器 件 以 及 利 用 生 物 分 子 功 能 器 件 组 成 纳 米 机 器 人 的 原 理 和 规 律 是 一 个 前 瞻 性 的 研 究 ， 这 里 需 要 的 是 创 新 的 思 想 和 勇 敢 的 探 索 以 及 新 知 识 的 累 积 。 要 有 很 多 新 型 的 人 才 在 这 一 方 向 上 进 行 创 造 性 地 开 拓 ， 因 此 ， 新 型 的 纳 米 人 才 应 当 具 有 多 学 科 交 叉 的 知 识 和 经 验 。 更 需 要 一 大 批 新 型 管 理 人 才 ， 他 们 善 于 在 各 学 科 的 交 叉 中 有 机 地 组 织 各 方 面 的 专 家 进 行 有 效 的 合 作 。 20 世 纪 初 期 嫦 娥 奔 月 的 理 想 在 世 纪 之 末 以 宇 航 员 登 上 月 球 的 梦 想 而 得 以 实 现 ， 21 世 纪 制 造 纳 米 机 器 人 的 理 想 也 将 在 纳 米 科 技 的 发 展 中 逐 步 变 成 现 实 。 近 年 来 ， 随 着 世 界 科 技 的 快 速 发 展 ， 纳 米 科 技 的 发 展 也 呈 现 出 了 一 些 新 的 发 展 趋 势 ， 科 学 家 们 利 用 其 神 奇 的 特 性 创 造 出 了 许 许 多 多 让 人 类 感 觉 到 不 可 思 议 的 东 西 。 纳 米 技 术 在 生 活 领 域 的 应 用 。 一 是 太 空 电 梯 。 碳 纳 米 管 是 由 石 墨 中 一 层 或 多 层 碳 原 子 卷 曲 而 成 的 、 内 部 中 空 的 “笼 状 纤 维 ”， 外 部 直 径 约 为 几 纳 米 到 几 十 纳 米 ， 密 度 仅 为 钢 的 1/6， 强 度 却 可 达 钢 的 100 倍 ， 可 用 于 制 造 防 弹 背 心 。 未 来 ， 人 们 设 想 用 其 制 作 地 球 至 月 球 的 太 空 电 梯 ， 即 用 碳 纳 米 管 制 造 出 一 条 连 通 月 球 与 地 球 表 面 的 绳 索 ， 其 不 会 被 自 身 重 量 拉 断 ， 人 类 的 太 空 之 旅 则 会 变 得 更 加 “轻 而 易 举 ”。 二 是 纳 米 自 洁 表 面 处 理 材 料 和 涂 料 。 将 透 明 、 疏 油 、 疏 水 的 纳 米 材 料 涂 覆 在 大 楼 表 面 或 瓷 砖 、 玻 璃 上 ， 这 些 表 面 就 具 有 了 防 油 污 、 防 水 等 功 能 。 而 在 阳 光 和 纳 米 催 化 剂 的 作 用 下 ， 粘 附 在 这 些 表 面 上 的 污 染 物 还 可 被 分 解 为 可 蒸 发 的 气 体 或 易 清 除 的 物 质 ， 实 现 自 洁 功 能 。 此 外 ， 一 些 氧 化 物 纳 米 颗 粒 在 电 场 作 用 或 在 光 的 照 射 下 还 可 迅 速 改 变 颜 色 ， 可 用 于 制 作 变 色 镜 等 。 三 是 纳 米 机 器 人 。 纳 米 机 器 人 是 纳 米 科 技 界 最 具 诱 惑 力 的 研 究 内 容 。 据 介 绍 ， 第 一 代 纳 米 机 器 人 是 生 物 系 统 如 酶 ） 和 机 械 系 统 如 纳 米 齿 轮 的 有 机 结 合 体 。 其 可 被 注 入 人 体 血 管 内 ， 对 人 体 进 行 健 康 检 查 ， 疏 通 脑 血 管 中 的 血 栓 ， 清 除 动 脉 脂 肪 淀 积 物 ， 吞 噬 病 毒 ， 杀 死 癌 细 胞 。 第 二 代 纳 米 机 器 人 是 直 接 由 原 子 或 分 子 装 配 成 的 具 有 特 定 功 能 的 纳 米 尺 度 分 子 装 置 。 而 第 三 代 纳 米 机 器 人 将 包 含 纳 米 计 算 机 等 智 能 系 统 ， 一 旦 研 制 成 功 ， 将 给 人 类 的 生 产 和 生 活 带 来 巨 大 的 变 化 。 几 千 年 来 ， 人 类 改 造 自 然 的 方 式 一 直