生物纳米机器人系统的设计、建模与表征

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Mustapha Hamdi

Design, Modeling and

Characterization of

Bio-Nanorobotic Systems

2011

Hardcover

ISBN 9789048131792

纳米机器人的研制属于分子仿生学的范畴，是根据分子水平的生物学原理为设计原型，在纳米尺度上应用生物学原理，研制可编程的分子机器人，是纳米机械装置与生物系统有机结合的产物。在生物医学上，科学家们利用纳米技术制造纳米机器人，让它在人的血管网络中漫游，进行巡逻和检查，尽早发现异常细胞，而且可以对人体内细胞组织进行修复。它不仅可以完成早期诊断工作，更重要的是可以充当微型医生而发挥治疗作用，解决传统医生难以解决的问题，如：杀死癌细胞、疏通血栓、清除动脉脂肪沉积物等。纳米机器人发展到现在大致分成三代：第一代，是把生物系统和机械系统有机结合的新系统；第二代，是由原子或者分子装配成的具有特定功能的纳米尺度的分子装置；第三代，可能是包含有纳米计算机的一种可以进行人机对话的装置。

纳米机器人代表了一种纳米级器件。在这个器件中诸如DNA的蛋白质和碳纳米管可以充当马达、机械接头、传动元件或传感器。当这些不同的组件组合在一起时，它们可以形成多度自由的纳米机器人，能够在纳米世界中对对象施加力以及进行操纵。本书重点讲述了两种纳米机器人的研究方法。第一种方法：结合虚拟现实的先进技术的多尺度建模工具（量子力学，分子动力学，连续介质力学）。为了设计和评估分子机器人的特点，本书提出了互动基于纳米物理的仿真。这种仿真允许在分子动力学模拟时带有实时力反馈和图形显示的操纵分子、蛋白质和工程材料。第二种方法：使用一种新的协同原型方法，具体表现为纳米机器人的多尺度模型与实验测量的耦合。本书通过5章来说明上述两种方法，1.纳米机器人组件与设计发展现状，主要介绍了纳米机器人设备结构、生物纳米技术设计的虚拟现实技术、建模和表征方法；2.生物纳米器件和纳米机器人设计和表征方法，主要讲述了生物纳米器件的设计和表征方法、纳米机器人结构的协同原型；3.生物纳米机器人结构的设计和计算分析，主要讲述了基于蛋白质的纳米弹簧的表征，基于蛋白质的纳米机械的多尺度设计和建模、DNA纳米机器人、用DNA激励的线性纳米管马达的设计和计算分析、药物输送中应用的多尺度平台的表征；4.纳米结构的表征与原型，基于直线轴承的NEMS表征，基于主管到主管碳纳米管梭旋转马达的设计， 通过碳纳米管的阿克物质传输和汽化；5.结论和展望，对本书的内容进行了总结，对纳米机器人的发展进行了展望。

本书以实现在纳米机器人系统内的最优纳米级运动为目标，研究了生物和人造分子结构的设计、组装、仿真以及原型，提出了一个新的基于DNA的纳米机器人、生物纳米执行器和基于碳纳米管的旋转纳米器件的概念，所提出的平台有助于表征新型药物输送系统和细胞膜之间的相互作用，是从事纳米机器人学研究的相关科研人员与工程师的很好的参考书。

作者Mustapha Hamdi和 Antoine Ferreira在法国布尔日国立高等工程师学校工作，主要从事机器人及医学成像技术研究。

杜利东，助理研究员

（中国科学院电子学研究所）

Du Lidong,Assistant Professor

（Institute of Electronics, CAS）