纳米机器人资料课件.ppt

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1、,纳米机器人,2 纳米机器人结构运动原理,1 纳米机器人结构体系与工作原理,3 纳米机器人控制系统构成,4 纳米机器人的应用,目录,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

2、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,其中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

3、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

4、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。,纳米机器人的导航机制

5、,导航可以分为外部导航和机载导航。 外部导航系统：发送探测信号来定位。可以使用很多不同的方法指示纳米机器人到达正确的位置。其中一种是让纳米机器人发出超声波脉冲信号，使用者通过使用带有超声波传感器的特殊设备来检测信号，从而跟踪纳米机器人的位置，指引它去往目的地。其他检测方法也包括放射性染料、X射线、无线电波或热量等。机载导航系统：内部传感器。 一个带有化学传感器的纳米机器人可以探测并根据特定的化学物质进行追踪，找到目的地。光谱传感器，能够从周围采样，探知周围物体发出的光谱，发现所要寻找的部位 。,纳米机器人的动力来源,可以从两个方面来考虑，一种是纳米机器人的动力有可能是来自内部。另一种，纳米机器

6、人的动力有可能是来自外部，从周围环境中获取能量。,纳米机器人动力系统,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，实现了对齿轮旋转的良好控制，从而解决了无序运动这一科学难题。,纳米齿轮,2009年度“十大科学新闻”评选候选新闻：,科学家研制出纳米齿轮,纳米机器人的移动方式,科学家希望从微生物中获取灵感。如草履虫可以滑动纤毛在水中活动，细菌通过舞

7、动鞭毛可以自由移动。,纳米机器人也可能通过振动膜的交替收缩和扩张来产生微弱的动力，使其移动。,由于现在发明了足够小的分子马达来充当纳米机器人的发动机，纳米机器人可以有多种移动方式。,纳米机器人控制系统分类,1.对于非全自主性纳米机器人主要基于燕子李显微镜以及力反馈传感器将纳米环境中的信息经过比例放大后反馈给操作者，操作者根据传感器信号给出控制指令。,2 目前国际上还没有研制出真正意义全自住纳米机器人，但关于纳米机器人的控制系统的理论研究以及仿真工作依然是研究的热点问题。,纳米机器人的控制系统与传统控制系统在硬件上并没有什么本质区别，只是要求上，尺寸更小到纳米级别，同时在位姿控制上，由于纳米环境

8、与宏观环境不同，对控制算法的要求更高。纳米级传感器：包括接触和非接触式传感器。如激光扫描器，红外传感器，超声传感器。纳米级板载控制器：包括一个90nm尺寸的Inter的CPU，包括一个52mb（兆）的SRAM（一种具有静止存取功能的内存）。执行机构：一对双向桨用于液体环境中导航。,纳米机器人控制系统构成,纳米机器人控制系统构成,纳米机器人控制系统构成,纳米机器人控制构成,纳米机器人控制系统构成,二值化传感器,其中传感器的作用主要是探测未知环境中的障碍物的存在以及三维空间位置的定位，这可以通过接触式或者红外传感器来实现，基于左右两侧的传感器来进行导航。当某一边的传感器测到障碍物时这边的传感器就会

9、返回给控制器一个1值，而没有检查到到障碍物的一边的传感器就会返回给控制器一个0值，采用这种二值化的方法来表示传感器的一种优势就是不需要考虑各种传感器的不同出入信号，而统一采用这种二值化法表示，方便了后续控制器的设计。,纳米机器人发展,早在1990年，美国贝尔实验室就成功地制造出了 极其微小的纳米机器人。这种只有跳蚤般大小的机器人由许多齿轮等零件、涡轮机及微电脑组成，其零件小得犹如空气中漂浮的尘埃。2000年，美国波士顿大学又制造出了一种世界上最小的分子马达。该马达仅由78个原子组成。几乎同时，日本和荷兰也研制出另一种用太阳能驱动的分子马达，它能在光的照射下连续不断地旋转。,纳米机器人发展,美国

10、康奈尔大学研究人员在活细胞内的能源机制启发下，制造出了另一种分子马达。这种微马达以三磷酸腺苷酶为基础，依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷(ATP)作为能源，再把由金属镍制成的螺旋桨连接到三磷酸腺苷酶分子中轴上，制造了400个分子马达。当它们被浸入ATP溶液中后，其中有5个转动了起来，转速达到8rs。,纳米机器人的医学应用,纳米技术与仿生学结合研制的纳米医用机器人将会给人类医学带来巨大的变革。纳米医用机器人可以邀游于人体内，能在血液和细胞介质中工作，也能在血管中游走。因此，它们可以用来捕捉和移动单个细胞，也可以用来清除血管壁甚至心脏动脉上的脂肪沉积物，激发血细胞的活性，完成医生不能

11、完成的血管修补等“细活”。纳米医用机器人也可以进入人体组织的间隙里清除病毒细菌或癌细胞。甚至可以代替外科手术，修复心脏、大脑和其他器官等，并可作整容手术。,纳米机器人的医学应用,纳米医用机器人可在人体血管中穿行，可以准确地探测到病变发生的位置，并且可以针对单个的病变细胞释放精确剂量的药物，将药物的副作用降到最低程度，以达到最快最佳的疗效。,纳米机器人的医学应用,同时，可以探测人体内化学和生物化学成分的变化，适时地释放药物及人体所需的微量物质，改善人体的健康状况。这将是21世纪内科疾病治疗的革命。当然，它们也可以用来对人体进行定期的健康检查。,纳米机器人医学应用举例,韩国全南大学的一个科研小组日

12、前研发出了世界上首个可以抗癌的纳米机器人，它可对乳腺癌、结肠和直肠癌等高发性癌症进行诊断和治疗，并已经在动物实验中取得成功。这是一种新式的具有强大灭杀能力的纳米医学机器人，这种机器人可以“嗅探”出并杀死癌细胞，同时还不会损害正常细胞。科学家称，这款纳米机器人直径为千分尺，由生物体细菌和药物推进器两部分构成。据了解，机器人能准确找到引发癌症的病源，而在找到癌症发病处后，药物推进器会释放经过基因修改的无害细菌和抗癌药物来攻击癌细胞。研究小组表示，抗癌机器人已在老鼠身上成功实验。,纳米细胞在军事中的应用,未来的军事力量及未来的战争都将越来越取决于一个国家在新式武器研发中科学技术的含量。那种完全依靠人

13、海战术的战争将一去永不复返。军用纳米机器人，俗称为“蚂蚁士兵”，是一种比蚂蚁还要小的靠太阳能电波驱动的具有惊人破坏力的机器人。它们可以通过多种途径潜入敌方的军事要害部门开展侦察活动，甚至直接攻击目标。比如，用特种炸药引爆目标，破坏敌方的电子设备与电脑网络(如使其短路毁坏)，施放各种化学制剂，甚至埋设微型地雷和充当爆破手。这种纳米机器人还可以充当潜伏特务，隐藏在主机设备中可以长达数十年之久；平时相安无事，一旦战事爆发，通过微型遥控装置破坏敌方作战系统。,纳米细胞在军事中的应用实例,美国洛克希德一马丁公司正在研制中的全长约20cm的微型侦察机器人，可以作为士兵的“眼睛”在50m的上空收集各种情报。它探测到的情报和数据可以很快地被送往士兵所携带的膝上型个人计算机或者护目镜上，士兵可以一边看鸟瞰图，一边继续战斗。另外，该公司还在对研制的像海鸥那样大小的侦察机器人进行试验；结果表明，这种微型侦察机器人的性能与无人驾驶侦察机不相上下。,Thank you!,