纳米机器人工程

纳米机器人工程是一个新兴的跨学科领域，它汇集了不同的学科，包括纳米级建模和纳米制造工艺。

特别是近年来，经典机器人学的进步将感知和操纵物质的能力扩展到了从宏观到微观，直至单个原子的各种尺度。在这一特定领域，技术正朝着更大程度地逐个原子控制物质结构的方向发展。

微型化--无论在何种情况下应用--都需要先进的技术，以保证物质在空间中的最佳嵌入。

例如，在医疗领域应用纳米机器人技术的具体案例中，仅将纳米机器人置于人体内部是不够的。最重要的是，必须能够利用特定的生理和解剖条件，使它们移动、引导它们。要做到这一点，还需要利用生理学、物理学和纳米技术等学科。

在我国，还没有真正意义上的纳米机器人工程学课程。不过，仿生工程硕士学位课程是这一学科的一个参照点，其师资队伍位于圣安娜超级学院和比萨大学的卢卡阿尔蒂研究学院（Scuola IMT Alti Studi Lucca）。

这是一个为期两年的教学计划，在比萨大学工程学院和圣安娜学院生物机器人研究所的实验室中开设理论和实践课程。

除了学习生物机器人和神经工程科学与技术的基础知识外，学生还将通过与医学、生物学和神经科学等领域的科学家以及康复和外科领域的专家对话，接受多学科研究方面的培训。

学习该课程的学生将在各种教育体验中接受挑战，包括与纳米机器人的设计、开发和测试有关的体验。

该课程还提供两种不同的课程：神经工程课程侧重于神经仪器、神经接口、神经信号采集和处理、神经网络、生物启发传感系统以及模仿社会行为的机器人设计；而生物机器人课程侧重于开发仿人和仿动物机器人模型、纳米机器人、可穿戴机器人、可植入仿生器官、人工上下肢、用于诊断、手术和康复的机器人和平台。

将纳米机器人放入人体内是不够的。最重要的是，有必要能够利用特定的生理和解剖条件来引导他们的运动。

纳米机器人技术的未来（和悬而未决的问题）

尽管纳米机器人技术充满活力，但它还是一个年轻的研究领域，目前仍处于研究和实验阶段。它尚未走出实验室。尽管它已经确定了自己的主要兴趣领域，但正如我们已经充分说明的那样，目前其中最突出的是医学。

未来，纳米机器人将应用于临床实践。有鉴于此，科学家们已经确定了下一个研究目标，即制造出更小更灵活的纳米机器人--结构尺寸为 20×100 纳米（0.00002×0.0001 毫米）--以便在无需活检的情况下对器官内外进行更精确的探索和细胞检查。其目的是使纳米机器人成为通过早期诊断预防某些疾病的工具。

除了这些目标之外，科学界还将两个重要问题提上了议事日程。第一个问题涉及纳米机器人在血液中的生物降解能力（目前的模型无法自主降解，因此在向体内释放药物后，必须将其移除）：另一个未决问题涉及用于制造纳米机器人的材料的安全程度，更具体地说，涉及其可能的毒性。

另一方面，第二个问题与纳米装置在人体的许多微小间隙、组织和各种液体中的运动有关。迄今为止设计的纳米机器人的运动有几个关键问题。

欧洲的 CELLOIDS 项目于 2021 年 2 月 1 日启动，截止日期为 2026 年 1 月底。该项目对这一悬而未决的问题进行了干预，提出了制造可在人体各部位自主移动的纳米机器人的建议。

我们了解到，在这个项目中，研究人员将借鉴免疫系统细胞的行为，其中一些细胞能够不断改变自己的身体形状以适应环境，从而能够穿透生物组织的所有间隙。

关于迄今为止进行的实验室测试，去年 3 月，即两个月前，《科学机器人》杂志报道了首次观察到纳米机器人群在活鼠体内移动的消息。

这是加泰罗尼亚生物工程研究所与巴塞罗那自治大学合作进行的一项研究，被认为是朝着将纳米机器人应用于人体临床实践迈出的决定性一步。

所观察到的纳米机器人可以在小鼠膀胱内自主移动，以非侵入性和无痛的方式利用小鼠尿液中的尿素作为燃料进行探索。

利用显微镜和 PET（正电子发射断层扫描）技术进行的观察显示，纳米机器人分布均匀，集体运动协调高效。研究小组强调说，这是一个好消息，预示着这些纳米设备在人类诊断和治疗方面的有效性。

在未来的医学中，纳米机器人在血管内发挥作用，检测并消除阻碍正常循环的血栓。

利用 DNA 模块制造纳米机器人

此外，在医疗领域（首选应用领域），2018 年启动、2022 年圆满结束、目前处于实验阶段的欧洲研究项目 DNA-Robotics 也在朝着能够在人体所有类型的间隙、组织和液体中移动的更加灵活的纳米机器人的方向发展。

该项目的核心是 DNA 生物大分子的自组装特性，以便产生纳米级机器人系统，从而在治疗肿瘤疾病的一系列应用中获益，如上所述，肿瘤是纳米医学的最大治疗领域。

使用 DNA 片段的纳米机器人技术是目前流行的一种研究方法，因为它也着眼于纳米设备在体内的生物可降解性目标，同时还能实现纳米机器人的许多基本功能，包括目标检测和灵活移动。

德国慕尼黑工业大学（TUM）是该欧洲项目的合作伙伴，其研究人员在最初阶段使用类似小方块的DNA模块来开发纳米机器人的各个部分，每个部分都具有不同的特性和功能。

在下一阶段，研究小组将小方块转化为计算机模型，以评估纳米机器人各个部分组装成一个完整的纳米机器人系统的效果。

最终，研究转向一种不再基于小立方体DNA模块的计算机模型，而是一种涉及使用所谓 "囊泡 "的技术。"囊泡 "是细胞膜内的一种袋状有机结构，可用作 "支架"，围绕它可以构建一系列纳米机器人模块，包括一种能够将信息从纳米结构的一点传输到另一点的管状结构。