纳米机器人结构体系与工作原理

结构体系与工作原理,纳米机器人概念图,结构体系与工作原理,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。,目前依照纳米机器人的结构构成以及研究进展，纳米机器人主要可分为三代：第一代是生物系统和机械系统的有机结合体，例如用碳纳米管做结构件，分子马达作为动力组件，DNA关节作为连接件等；第二代是直接利用原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，例如直接用原子、DNA片段或者蛋白质分子装配成生物纳米机器人；第三代将包含有控制器，如纳米芯片、纳米计算机等。,结构体系与工作原理,动力部件为纳米驱动器或分子马达，如无机材料建造的纳米电机、病毒蛋白直线VPL马达、ATP马达、DNA马达、鞭毛马达等；结构件、连接件由无机纳米材料或者生物物质构建，如TNC、DNA关节、蛋白质等；传感器由可感知生化信号的纳米传感器组成；第三代纳米机器人甚至包含控制器或生物计算机。,结构体系与工作原理,研制纳米机器人的可能途径：化学模拟,模拟酶,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。,但是目前只模拟了酶活性中心功能基团在空间位置上的配置，未模拟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。,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。,结构体系与工作原理,研制纳米机器人的可能途径：利用分子的自组合原理装配机器人,脂类分子构成的微囊泡,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。利用抗体分子对抗原的专一识别作用，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”。,研制纳米机器人的可能途径：利用生物分子作为分子功能器件组装纳米机器人,结构体系与工作原理,ATP酶,ATP酶作为分子发动机的研究已经在西方形成热点领域。ATP酶在生物体内是执行能量转换的关键分子之一，它和呼吸链酶系共同组成线粒体的能量转化体系。,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酶和呼吸链的四个复合物共同组成线粒体的能量转化体系。,结构体系与工作原理,有没有可能实现仿照人类尺度机械的纳米机械？,所谓的微机电系统发展非常迅速。但这些机械的功能还相当简单，它们是微小机械，不是纳米级的机械。第一个真正的纳米尺度的机电系统仅仅在过去几年中才出现，并且只是实验性质的。,一个至关重要的问题是摩擦和粘性，微型器件表面积比率更大。表面效应变得比宏观器件更加显著。如果值得做，这样的问题最终会被解决，但是现在它带给人们的是困难的技术挑战。毫无疑问，我们将会发展出更复杂的纳米机械以及类似人类尺度机械的纳米机械模型，但是在我们制造出任何实际用途的纳米器件之前，还有很长的一段路要走。也没有任何理由认为纳米机械一定要和人类尺度机械相似。,结构体系与工作原理,6月22日，新加坡科学技术研究局材料研究与工程研究所的科学家，研制出世界首个附在原子轴上的分子级齿轮，其大小仅为1.2纳米，旋转也能收到精确控制。制造出原子大小的齿轮并不困难，但实现对微型齿轮运动的精确控制却并非易事。这些科学家通过对位于原子轴上的纳米齿轮及扫描隧道显微镜尖端间的电子连接进行操控