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眼睛看不见的飞米机器人怎么着科学,人类将进

时间:2019-06-04 17:27来源:科学
要操纵非常小的物体,就需要非常小的工具。这次让科学家们告诉我们他们在研究中使用的最可爱的小器具,以下是我们的一些最爱: 相信谈到纳米机器人,大家的第一反应就是当年在

要操纵非常小的物体,就需要非常小的工具。这次让科学家们告诉我们他们在研究中使用的最可爱的小器具,以下是我们的一些最爱:

科学 1

相信谈到纳米机器人,大家的第一反应就是当年在荧幕上看到的好莱坞大片《钢铁侠3》中,反面人物妄想使用纳米机器人来传播病毒,以此达到控制人类的目的。 在1959年,美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼教授觉得在未来会研发出一种类似分子左右大小的超微型机器,人类可以通过分子来制造任何东西,因此提出纳米机器人的概念。 纳米级的技术不再遥远 目前,纳米机器人已成为高新科技的前沿热点技术之一,被众多国家投入巨资抢占的战略高地。很多业内研究人员表示:当前*重要、*急切的就是将纳米机器人应用在医疗领域中。 有人问,医用纳米机器人有何作用? 医用纳米机器人可以注射进人体血管中,进行血管养护、健康检查、精准给药、疾病治疗和器官修复等,除此之外,还能从基因中除去有害的DNA,使机体恢复正常。有业内人士曾预言,在未来,例如癌症、艾滋病、高血压等这些疑难杂症都将迎刃而解。由此也表明纳米机器人是医疗领域的福音。 医用纳米机器人研发频频获捷 2013年6月,日本东北大学的科学家公布了一项研究报告,报告指出已成功研发出一种可摧毁癌细胞的纳米机器人。 2017年8月有研究报告显示,英国杜伦大学、美国莱斯大学和北卡罗莱纳州立大学的科学家研发出一种能通过光激活的方式,在数分钟内钻入癌细胞并将其杀死的纳米机器人。 2018年1月,德国慕尼黑工业大学的科学家表示已将电场驱动作用应用到纳米机器人中,这个纳米机器人被用在医学诊断和药物开发上。 医用纳米机器人目前还处在研发试验阶段,没有被大规模的临床实用。但值得肯定的是,纳米机器人在不久的将来将会给生物医学带来翻天覆地的变化。 1、纳米机器人被用作肿瘤治疗 近日在Nature Biotechnology上被发表一篇针对纳米机器人如何治疗肿瘤的研究成果报告。据外媒报道,此研究成果赋予了DNA纳米机器人强大的活体运输和响应识别能力,可以智能化的将多种药物进行联合,达到高效递送的目的,以此推动全新的抗癌药物的研发,在纳米医学中具有极为广阔的应用前景。 2、纳米机器人可钻入眼球来运送药物 近期,在《科学进步》杂志上发表了意向研究成果,此研究成果是斯图加特的马克斯普朗克智能系统研究所的“微观、纳米和分子系统”实验室的研究人员与一个国际科学家团队携手共同研发的一种能钻入眼睛的螺旋桨状的纳米机器人。 这款纳米机器人是一种特殊涂层纳米尺寸的“运输工具”,可以在类似于眼睛这种拥有密集组织的玻璃体中活跃。要知道的是,在此研究成果被发表之前,纳米载体的传输仅仅只是在模型系统或生物流体中被验证过,在人体这种密集组织中还没有成功过。

Matt Wilkins,范德比尔特大学科学外展中心的博士后研究员

博士研究生张闯在实验室里展示肉眼看不见的细菌驱动微颗粒机器人。

5毫米鸟类脚环

科学 2实验师刘斌在做实验。

美国地质调查局会分发这些半克重的金属带,帮助我们追踪冬天鸟类向南迁移,有些鸟儿本身只有几十克重。

科学 3

Timothy Warrington,加拿大FREDsense Technologies的研究科学家

副研究员杨洋在做实验。

1微米DNA注射针头

1966年有一部电影《神奇旅程》,描述了科学家驾驶小潜水器在人体内的奇妙旅程,这部电影通过视觉幻想把微型机器人引入大众视角。

在我的博士学位期间,我通过将DNA粘在性腺上来培育毫米长的转基因蠕虫,肉眼几乎看不见。我们找不到足够小的注射器,所以我们必须自己做。首先,我们将加热一个厚度为0.1毫米的玻璃管并将其打破以制成针头,然后我们将密封的尖端折断以确保其有开口以进行注射。虽然这样搞起来好像有些随意,但它确实很好地完成了它的工作。

而今,科学家正在把宏观的机器人技术应用到微观,研究肉眼看不见的微纳米机器人切割DNA、给细胞做手术、进入人体血管探测、甚至对抗癌细胞……记者走进中科院沈阳自动化所微纳米研究实验室,带你来一次微观世界的奇异旅行。

Jenna Franke,加州大学伯克利分校研究生

“呼呼……”这是风淋间的除尘声。要进入保持高度洁净的微纳米实验室,要换上洁净工作服,穿鞋套,还要进入全封闭的风淋间,进行20秒钟对衣物除尘。

5毫米小烧瓶

进入不大的实验室,立刻被各种“怪东西”包围:放在罩子里的显微镜、由大量铁片和电线构成的半人高大机器、瓶瓶罐罐里液体颜色各异、靠墙一排小抽屉,仿佛中药房药柜的缩小版……

这些小东西是我实验室烧瓶的先锋队。我用它来实施我以前没有测试过的荧光染料的小规模反应。

一纳米是一米的十亿分之一,约相当于人类头发直径的五万分之一。副研究员于海波介绍,实验室研究的方向之一,是能够在微纳米尺度上进行操作和作业的机器人,称为微纳米操作机器人。这类机器人本体并不小,甚至可能比较大,但它们的操作范围可以从细胞到分子,甚至对原子进行操作。

Nicole Green,堪萨斯州立大学生物化学博士

“纳米操作机器人可以对单根DNA进行切割和操作。”博士研究生张闯向记者演示一台纳米操作机器人的功能,“DNA非常小、软,而这套纳米操作机器人系统有 力反馈 机制,可以将前端的针尖与DNA之间的作用力放大之后传回操作柄,由此可以精确控制针尖进行操作。”

1微米磁珠

科学,科研人员表示,现在医学界对纳米操作机器人切割DNA非常感兴趣,将来有望实现对特定DNA段进行扩增、研究特定段中的双螺旋相关、对DNA进行修复等。

我的实验室研究了肌肉如何在单个蛋白质的水平上生长和发育。我们研磨死苍蝇并混合涂有磁珠以与某些分子结合。珠子将所有重要的东西都吸引到上面,从而可以轻松分离出重要的材料。

癌症患者吃同样的药会有一样的疗效么?“我们使用纳米操作机器人分析病理细胞发现,同一药物对不同病人的疗效不同,是因为细胞特性不同,瘤细胞表面抗体密度也不同。”实验师刘斌说。

Hernán Vázquez Miranda,林肯市内布拉斯加大学的野生动物基因组学家

“这项研究尚处于数据分析和积累阶段,目前我们已经把有价值的信息传给了医院。可以预想,将来病人在治疗癌症之前,先取病人的一滴血进行分析,就能制定更精准的治疗方案,为病人节省大量的时间和金钱。”

5毫米钩针

微纳米操作机器人还可以对细胞进行无损运输、切除病变细胞,对细胞进行电流检测和表面蛋白分布检测等,可广泛应用于生物工程与医学实验研究、微纳米科研教学等领域。

当我们准备保存小鼠和田鼠标本时,我们必须清理它们精致的骷髅,所以我们让2毫米宽的皮甲虫幼虫吃掉头骨内部和肋骨周围的肉。

在微观世界中进行探索和操作还需要一类“小”机器人。科学家们希望,它们将来能够进入人体血管探测、去除癌变细胞、进行定点给药,为抗癌发挥作用。

在虫子长大然并死亡之后,我们用针钩小心地将它们移除。我们无法在沃尔玛买到这些工具,因此很多都是我们手工制作的,这很难。当研究人员做完一个完美的钩子时,这辈子都会好好珍惜。

在显微镜下,一个小黑点身手矫捷,顺着科研人员操作的箭头方向任意游动……这是实验室研制的约600微米尺寸的磁控机器人,可以在微型管道内精确运动。

Louis Rogowski,南卫理公会大学的学生,机械工程博士

“屏幕上怎么出现条小鱼?”记者疑惑地问。博士研究生王敬依介绍,这是光驱动仿“鱼”机器人,仿照鱼尾摆动进行运动,前端可以夹持微小物体,从而实现对微小物体运输或定点释放。

4微米的纳米机器人

探索微纳米机器人的驱动是这一领域科学家努力的方向。实验室今年9月刚实现利用生物细菌作为机器人本体,完成微纳作业任务的新技术。利用直径10微米藻类细胞作为单体微型机器人,进行对微纳米颗粒的操作。由于藻类细胞具备从溶液中直接高效率将化学能转换为机械能的特点,一定程度上解决了微小机器人的能源供给问题。

我们使用磁场推动每个细菌大小的机械游过血管或组织,通过这种技术,我们希望创建用于手术或靶向给药的纳米机器人。

据介绍,微纳米机器人还包括热驱动机器人、化学反应气泡推动机器人等,实验室正试图将肌细胞作为微型机器人的驱动单元,实现行为可控的肌细胞驱动微型机器人。“因为心肌细胞、骨骼肌细胞等可以高效率地将人体血液中的化学能直接转化成机械能,且不容易发生免疫反应。”于海波介绍说。

本文译自 popsci,由译者 HW 基于创作共用协议发布。

于海波表示,微纳米机器人是人类与微观世界的桥梁,在无创手术、药物输运、微纳制造等方面具有广泛的应用前景。这一技术当前依然面临着能源供给、驱动控制、作业灵活性等方面的关键挑战,还需要不断探索。

科学 4

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