想象一下，我们可以制造像细菌或分子一样小的汽车、飞机和潜艇。注射到体内的微型机器人外科医生可以定位并中和疾病的原因——例如，动脉内的斑块或可能导致阿尔茨海默病蛋白质沉积物。纳米机器——具有纳米级特征和组件的机器人——可以穿透桥梁的钢梁或飞机的机翼，在看不见的裂缝扩散并导致灾难性故障之前将其修复。
近年来，化学家们创造了一系列非凡的分子尺度结构，这些结构可能成为微型机器的部件。例如，莱斯大学的詹姆斯·图尔和他的同事们合成了一种分子尺度的汽车，其轮子是四个巴克球（形状像足球的碳分子），比人类细胞小 5,000 倍。
但看看纳米汽车的引擎盖下，你不会发现发动机。到目前为止，图尔的纳米汽车的移动仅仅是因为它们受到周围分子的随机碰撞的推动，这个过程被称为布朗运动。这是分子机器目前最大的问题：我们知道如何制造它们，但我们仍然不知道如何为它们提供动力。
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在活细胞或更小的尺度上，这项任务提出了一些独特的挑战。空气和水感觉像糖蜜一样粘稠，布朗运动不利于迫使分子以精确的方式移动。在这种条件下，汽车或吹风机等动力马达的纳米级版本——假设我们知道如何制造那么小的马达——甚至永远无法启动。
相比之下，自然界提供了许多纳米马达的例子。要了解它们能做什么，只需看看活细胞就知道了。细胞使用纳米引擎来改变其形状、在分裂时推开染色体、构建蛋白质、吞噬营养物质、输送化学物质等等。所有这些马达，以及为肌肉收缩和细菌鞭毛的螺旋运动提供动力的马达，都基于相同的原理：它们将化学能——通常以三磷酸腺苷或 ATP 的形式储存——转化为机械能。并且都利用催化剂，即能够促进化学反应（如 ATP 分解）的化合物。研究人员现在正在通过应用类似的原理，在构建人造纳米马达方面取得令人兴奋的进展。
2004 年，我们是宾夕法尼亚州立大学一个团队的成员，该团队开发了简单的纳米马达，可以将燃料分子中储存的能量催化转化为运动。我们的灵感来自哈佛大学的鲁斯泰姆·伊斯马吉洛夫和乔治·怀特塞兹在 2002 年报告的一种相当大的催化马达。哈佛团队发现，在水和过氧化氢 (H2O2) 水箱表面，船尾带有催化铂条的厘米级“船只”会自发移动。铂促进 H2O2 分解为氧气和水，形成的氧气气泡似乎通过后坐力推动船只前进，就像火箭尾部喷出的废气给火箭提供前进推力一样。
可信的缩小
我们微型化的哈佛引擎版本是一根金铂棒，长度与细菌细胞（两微米）大致相同，宽度为其一半（350 纳米）。我们的棒材混合在溶液中，而不是漂浮在表面上。就像细胞内由 ATP 驱动的分子马达一样，这些微小的催化圆柱体基本上浸泡在自己的燃料中。它们确实以每秒数十微米的速度自主移动，在显微镜下看起来非常像活的游泳细菌 [观看视频]。
然而，正如科学中经常发生的那样，导致实验的假设是错误的。我们曾想象我们的纳米棒从尾部喷射出微小的气泡，并被后坐力推动前进。但它们实际所做的事情更有趣，因为它提醒纳米技术专家，我们必须以非常不同的方式思考小长度尺度上的运动。
在宏观尺度上，后坐力的概念很有道理。当有人游泳或划船时，他们的胳膊、腿或桨会向后推水，而后坐力会将身体或船只向前推。这样，即使停止推动，游泳者或船只也可以向前滑行。物体滑行多远取决于粘性力或阻力，以及惯性，即物体抵抗速度变化的阻力。阻力与物体的宽度成正比，而惯性与物体的质量成正比，而质量又与宽度的三次方成正比。对于较小的物体，惯性比阻力下降得快得多，变得可以忽略不计，因此阻力胜出。在微米尺度上，任何滑行都会在大约一微秒内结束，滑行距离小于 1/100 纳米。因此，对于水中微米大小的物体，游泳有点像在蜂蜜中跋涉。纳米马达对任何推动它的东西都没有记忆——没有惯性——惯性推进方案（例如气泡后坐力后的漂移）是毫无希望的。
我们的纳米棒实际工作方式是，它们施加连续的力来克服阻力，而无需滑行。在铂端，每个 H2O2 分子被分解成一个氧分子、两个电子和两个质子。在金端，电子和质子与 H2O2 分子结合，产生两个水分子。这些反应在一个棒端产生过量的质子，而在另一个棒端产生缺乏质子的情况；因此，质子必须沿着棒的表面从铂移动到金。
像水中所有正离子一样，质子会吸引水分子的带负电区域，因此在质子移动时会拖动水分子，从而按照牛顿运动定律（每个作用力都有相等且相反的反作用力）的规定，将棒材向相反方向推进[购买数字版以查看相关侧边栏]。
一旦确定了这一原理（在我们学生和我们在宾夕法尼亚州立大学的合作者文森特·H·克雷斯皮、达雷尔·维莱戈尔和杰弗里·卡奇马克 的帮助下），随后出现了其他几种催化纳米马达设计。德克萨斯大学奥斯汀分校的亚当·海勒研究小组和亚利桑那州立大学的约瑟夫·王研究小组表明，不同燃料的混合物——葡萄糖和氧气或 H2O2 和肼——可以使马达比使用单一燃料时运行得更快。
虽然自由悬浮的金属纳米棒相对于本体溶液移动，但在 H2O2 存在下，固定化的金属结构将在结构和流体之间的界面处诱导流体流动，从而有可能为浸没在流体中的其他物体的运动提供动力。我们已经在用银图案化的金表面上证明了这种流体泵送效应。
[中断] 指导委员会
我们的第一批浸没在流体中的纳米棒的一个局限性是，它们沿随机方向移动，并且由于布朗运动而不断进行随机转弯。当然，在实际应用中，纳米机器将需要某种机制来引导它们到达目的地。
我们解决转向问题的第一次尝试依赖于磁场[购买数字版以查看相关侧边栏]。我们在棒材中嵌入了镍盘。这些盘对磁场的反应就像微型指南针，其北极到南极轴线垂直于圆柱体的长度。放置在几毫米外的冰箱磁铁对圆柱体施加足够的扭矩，以克服布朗运动随机转动圆柱体的趋势。唯一剩下的力是沿棒材长度方向的力，由催化反应提供。然后，我们的纳米棒沿直线移动，并且可以通过转动磁铁来控制方向。这种运动类似于细菌的行为，细菌会使自身与地球微弱的磁场对齐。类似的马达可以在微米级磁迷宫中导航，沿着磁场线穿过曲折。
去年，克雷斯皮和我们中的一人（森）表明，磁力控制的马达能够通过流体拉动“货物”容器——大约是其尺寸 10 倍的塑料球。对于这种载货马达，可以设想许多有趣的应用。例如，它们可以将药物输送到体内的特定细胞，或者沿着纳米级装配线输送分子，在装配线上，货物可以与其他分子化学结合。
外部控制纳米机器人可能在某些应用中很有用；对于其他应用，纳米机器人能够自主移动至关重要。维莱戈尔和森最近兴奋地发现，我们的催化纳米棒可以像细菌一样沿着化学“面包屑轨迹”前进。通常，细菌通过一系列直线运行来移动，直线运行被随机转弯打断。但是，当直线运行恰好向上游化学梯度（例如，食物的气味在更靠近食物本身的地方变得更浓）时，细菌会延长直线运行的长度。由于有利的运行比不利方向的运行持续时间更长，因此净效应是细菌最终会收敛到其目标，即使它没有直接控制自身方向的方法——这种策略称为趋化性。
我们的纳米马达在较高燃料浓度下移动得更快，这种趋势有效地延长了它们的直线运行时间。因此，它们平均朝着燃料源移动，例如浸泡过氧化氢的凝胶颗粒[购买数字版以查看相关侧边栏]。
最近，我们两人还展示了由光驱动的马达颗粒，或趋光性。这些粒子利用光来分解分子并产生正离子和负离子。两种类型的离子以不同的速度扩散开来，从而建立电场，导致粒子移动。根据释放的离子的性质和粒子上的电荷，粒子被驱动朝向或远离最高光强度区域。这项技术的一个有趣的转折是光驱动系统，其中一些粒子充当“捕食者”，另一些粒子充当“猎物”。在这种情况下，一种粒子释放出的离子会导致第二种粒子被驱动朝向它。这些粒子的相关运动与白细胞追逐细菌惊人地相似。
趋化性和趋光性仍处于原理验证阶段，但它们可能会导致“智能”自主纳米机器人的设计，这种机器人可以独立地朝着其目标移动，也许可以通过从生物体内或环境中丰富的葡萄糖或其他燃料中获取能量。我们的工作也可以成为设计新型机器人的起点，这些机器人可以相互化学通信并执行集体功能，例如成群移动和形成图案。
缩小尺寸
虽然表现出这些集体行为的粒子是“无生命的”，但它们的运动受到与活细胞运动相似的物理现象的支配。因此，纳米马达不仅从生物学中汲取灵感，而且还提供了对生命系统运动部件如何工作的深刻见解。我们在研究催化纳米马达时了解到的一条简单规则是，纳米马达的典型巡航速度应与其线性尺寸（例如长度或宽度等尺寸）成正比。这种缩放定律源于以下事实：阻力与尺寸成正比，而催化反应速率与表面积成正比，表面积与尺寸的平方成正比。
宾夕法尼亚州立大学生物学家詹姆斯·H·马登发现了一个更普遍的缩放定律，将马达的质量与其可以施加的最大力相关联。他的定律（适用于分子马达一直到喷气发动机）的结果是，较小的马达总是较慢。就催化纳米马达的最终缩放而言，当布朗运动淹没催化反应的任何推进力时，就会出现一个点（大约 50 到 100 纳米）。因此，微米大小的细菌是整个生物学中最小的自由游泳者。在较小的尺度上，布朗运动几乎不可能在浸没在流体中时保持稳定的运动方向。事实上，自然界中所有分子尺度的马达——包括肌肉蛋白和产生 ATP 的酶——要么被限制在轨道上运行，要么嵌入膜中。未来的任何分子尺度机器人也必须如此。
[中断] 逐步升级
对于分子尺度马达，正如我们的纳米棒中证明的那样，简单的表面催化也可能效率太低而无法对抗布朗运动，无论机器人的运动是否受到限制。然而，大自然已经找到了利用布朗运动而不是与之对抗的方法。许多生物马达都基于布朗棘轮的原理，该原理利用化学催化的能量不是在特定方向上产生运动，而是仅当布朗运动的冲击在有利方向上推动时才允许它们，而在它们在相反方向上推动时阻止它们[参见迪恩·阿斯图米安的“将分子变成马达”；《大众科学》，2001 年 7 月]。近年来，研究人员已经开始尝试第一批人造布朗棘轮[购买数字版以查看相关侧边栏]。
北卡罗来纳州立大学的奥林·韦列夫和他的合作者已经证明了另一种推进和转向方法。这些研究人员最近展示了如何在没有任何燃料的情况下推进流体中的物体。他们的容器包含一个二极管，这是一种允许电流沿一个方向穿过它，但不允许沿相反方向穿过的设备。研究人员施加交变电场。在容器附近，二极管将交变场转换为静态场。静态场指向恒定方向，产生提供推力的净力。
由于二极管马达是外部供电的，因此它们的缩放定律与催化马达不同。韦列夫已经证明，在厘米到毫米尺度上，二极管马达的速度不随其尺寸而变化，这与理论一致。该结果表明，这种马达在数十微米尺度上可能非常强大，这大约相当于人类细胞的大小。
由于计算机芯片技术的进步，现在可以制造远小于微米尺度的二极管，而长度仅为 2 到 3 纳米的分子二极管早已通过化学方法合成出来。因此，有可能制造出微型手术刀，它由推进、转向和传感组件组成，这些组件以图案形式排列在微小的硅芯片上。人们可以想象使用无线电频率电场无线和远程驱动二极管驱动的手术刀，无线电频率电场不会被人体吸收。最终，这些微型手术刀可能会用非常细的针头输送，并通过遥控引导到目的地。
早在 1959 年，物理学家理查德·费曼在题为“底部有的是空间”的前瞻性演讲中考虑了机器和信息存储系统的尺度极限时，科学家（和科幻小说作家）就一直在思考纳米机器。他指出，物理定律在分子长度尺度上仍然有效。因此，除了制造它们的显而易见的挑战之外，没有理由禁止人们用原子级精确的分子部件制造车辆，甚至制造工厂来大规模生产纳米机器。
在过去的几十年里，费曼的演讲继续激发了纳米技术的研究。与此同时，对活细胞的主流观点已经从酶进行代谢反应的浓汤锅转变为机械连接的纳米马达的滴答作响的瑞士手表。因此，在许多方面，细胞都是费曼设想的分子工厂。
研究人员已经了解了很多关于如何制造受生物学启发的非生物马达的知识，但在这种长度尺度上，关于催化运动的原理还有很多东西需要学习。毫无疑问，未来的工作将找到迄今为止无法想象的方法，在生物医学、能量转换、化学合成和其他领域利用这些知识。
这个故事最初以“为纳米机器人提供动力”为标题印刷