机器人概述

姓名： 陈 胜 星

学号：091007104

指导老师：童小利

目录

一、 机器人的概念和发展历史

1、 机器人的概念

2、 机器人的发展历史

二、 多种机器人的分类

1、

2、

3、

4、 小提琴机器人 保姆机器人 拆弹机器人 无人飞机

三、 机器人的结构体系，机器人是如何工作的

1、机器人的体系结构

2、机器人的工作原理

四、 探讨机器人和人的关系

1、 没有机器人，人将变为机器

2、 机器人能和人友好相处吗？

3、 机器人是人类的助手和朋友

一、 机器人的概念和发展历史

1、机器人的概念

机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以

接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

它可以说是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。

现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”

机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的三维空间坐标机器。

2、 机器人的发展历史

19xx年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。

19xx年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

19xx年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。 19xx年 诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

19xx年 美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。

19xx年 在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

19xx年 德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。

19xx年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。

19xx年-19xx年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括19xx年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼19xx年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡19xx年则开始在机器人中

加入视觉传感系统，并在19xx年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。

19xx年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。

19xx年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。

19xx年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。

19xx年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。

19xx年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

19xx年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。

19xx年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。

19xx年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

20xx年 美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。iRobot公司北京区授权代理商：北京微网智宏科技有限公司.cn。

20xx年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。

二、多种机器人的种类

1、小提琴机器人

人类会拉小提琴不奇怪，可是机器人也会拉小提琴那可就是新闻了！日本丰田公司研制出一款仿生机器人，能够像一位小提琴大师一样拉小提琴，这个1.5米高的机器人能够演奏埃尔加乐曲。

2、保姆机器人

机器人并不只有可爱的宠物类机器人，也还有实用性的机器

人。日本机器人协会研制出一种能够洗衣、打扫、清洁厨房的机器人。在不久的将来，也许我们就不需要保姆了，直接用上这种保姆机器人。

3、 拆弹机器人

拆弹机器人不仅能拆弹，还能帮助运送伤员 拆弹机器人能够拆除战场上的炸弹。这款陆地鲨鱼机器人是一个战场协助平台，它能够帮助士兵拆除炸弹，并移送受伤人员。

3、 功夫机器人

功夫机器人名叫AcYut，具有非常好的平衡性，是一个不折不扣的“功夫机器人”。AcYut机器人是印度自行研制的第一款仿生机器人，AcYut在梵文中的意思是“不朽”或者“永远不会跌倒的人”的意思。

5、无人飞机

19xx年爆发了海湾战争，美军首先面对的一个问题就是要在茫茫的沙海中找到伊拉克隐藏的飞毛腿导弹发射器。如果用有人侦察机，就必须在大漠上空往返飞行，长时间暴露于伊拉克军队的高射火力之下，极其危险。为此，无人机成了美军空中

侦察的主力。在整个海湾战争期间，“先锋”无人机是美军使用最多的无人机种，美军在海湾地区共部署了6个先锋无人机连，总共出动了522架次，飞行时间达1640小时。那时，不论白天还是黑夜，每天总有一架先锋无人机在海湾上空飞行。

为了摧毁伊军在沿海修筑的坚固的防御工事，2月4

日密苏里号战舰乘夜驶至近海区，先锋号无人机由它的甲板上起飞，用红外侦察仪拍摄了地面目标的图像并传送给指挥中心。几分钟后，战舰上的406毫米的舰炮开始轰击目标，同时无人机不断地为舰炮进行校射。之后威斯康星号战舰接替了密苏里号，如此连续炮轰了三天，使伊军的炮兵阵地、雷达网、指挥通信枢纽遭到彻底破坏。在海湾战争期间，仅从两艘战列舰上起飞的先锋无人机就有151架次，飞行了530多个小时，完成了目标搜索、战场警戒、海上拦截及海军炮火支援等任务。

所谓地面军用机器人是指在地面上使用的机器人系

统，它们不仅在和平时期可以帮助民警排除炸弹、完成要地保安任务，在战时还可以代替士兵执行扫雷、侦察和攻击等各种任务，今天美、英、德、法、日等国均已研制出多种型号的地面军用机器人。

三、机器人的结构体系，机器人是如何工作的

1、 机器人结构体系

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统

等组成。执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆

机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等

检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。 控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。

四、探讨机器人和人的关系

1、没有机器人，人将变为机器

随着社会的发展，社会分工越来越细，尤其在现代化的大生产中，有的人每天就只管拧同一个部位的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影《摩登时代》中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病开始产生。于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作。于是人们研制出了机器人，代替人完成那些枯燥、单调、危险的工作。由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。“机器人上岗，人将下岗。”不仅在我国，即使在一些发达国家如美国，也有人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。比如汽车的出现，它不仅夺了一部分人力车夫、挑夫的生意，还常常出车祸，给人类生命财产带来威胁。虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但它还是成了人们日常生活中必不可少的交通工具。英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话：“日本机器人的数量居世界首位，而失业人口最少，英国机器人数量在发达国家中最少，而失业人口居高不下”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。

美国是机器人的发源地，机器人的拥有量远远少于日本，其中部分原因就是因为美国有些工人不欢迎机器人，从而抑制了机器人的发展。日本之所以能迅速成为机器人大国，原因是多方面的，但其中很重要的一条就是当时日本劳动力短缺，政府和企业都希望发展机器人，国民也都欢迎使用机器人。由于使用了机器

人，日本也尝到了甜头，它的汽车、电子工业迅速崛起，很快占领了世界市场。从现在世界工业发展的潮流看，发展机器人是一条必由之路。没有机器人，人将变为机器；有了机器人，人仍然是主人。

2、机器人能和人友好相处吗？

不论是工业机器人还是特种机器人（尤其是服务机器

人）都存在一个与人相处的问题，最重要的是不能伤害人。然而由于某些机器人系统的不完善，在机器人使用的前期，引发了一系列意想不到的事故。

19xx年9月6日，日本广岛一家工厂的切割机器人在

切钢板时，突然发生异常，将一名值班工人当作钢板操作，这是世界上第一宗机器人杀人事件。

19xx年5月，日本山梨县阀门加工厂的一个工人，正在调整停工状态的螺纹加工机器人时，机器人突然启动，抱住工人旋转起来，造成了悲剧。

19xx年前苏联发生了一起家喻户晓的智能机器人棋手杀人事件。全苏国际象棋冠军古德柯夫同机器人棋手下棋连胜3局，机器人棋手恼羞成怒，突然向金属棋盘释放强大的电流，在众目睽睽之下将这位国际大师击倒。

这些触目惊心的事实，给人们使用机器人带来了心理障碍，于是有人展开了“机器人是福是祸”的讨论。

面对机器人带来的威胁，日本邮政和电信部门组织了一个研究小组，对此进行研究。专家认为，机器人发生事故的原因不外

第二篇：机器人论文正文

我国在仿人形机器人方面做了大量研究，并取得了很多成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人，北京航空航天大学研制成了多指灵巧手，哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作.

双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题，而且难度很大。在日本开展双足步行机器人研究已有30多年的历史，研制出了许多可以静态、动态稳定行走的双足步行机器人，上面提到的P2、P3是其中的佼佼者在国家863计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下，长沙国防科技大学于19xx年2月研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人，随后于19xx年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运动型机器人系统，并实现了平地前进、后退，左右侧行，左右转弯，上下台阶，上下斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间运动机构上，实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走功能.

经过十年攻关，国防科技大学研制成功我国第一台仿人型机器人——“先行者”，实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行.人类与动物相比，除了拥有理性的思维能力、准确的语言表达能力外，拥有一双灵巧的手也是人类的骄傲。正因如此，让机器人也拥有一双灵巧的手成了许多科研人员的目标.在张启先院士的主持下，北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始灵巧手的研究与开发，最初研究出来的BH－1型灵巧手功能相对简单，但填补了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进，现在的灵巧手已能灵巧地抓持和操作不同材质、不同形状的物体。它配在机器人手臂上充当灵巧末端执行器可扩大机器人的作业范围，完成复杂的装配、搬运等操作。比如它可以用来抓取鸡蛋，既不会使鸡蛋掉下，也不会捏碎鸡蛋。灵巧手在航空航天、医疗护理等方面有应用前景。

灵巧手有三个手指，每个手指有3个关节，3个手指共9个自由度，微电机放在灵巧手的内部，各关节装有关节角度传感器，指端配有三维力传感器，采用两级分布式计算机实时控制系统。</P>

仿人型机器人是多门基础学科、多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。因此，仿人形机器人是当代科技的研究热点之一。仿人型机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。目前，我国仿人形机器人研究与世界先进水平相比还有差距。我国科技工作者正在努力向前，我们热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的仿人型机器人与大家见面。

我国的仿人形机器人研究

我国在仿人形机器人方面做了大量研究，并取得了很多成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人，北京航空航天大学研制成了多指灵巧手，哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作。

双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题，而且难度很大。

在日本开展双足步行机器人研究已有30多年的历史，研制出了许多

可以静态、动态稳定行走的双足步行机器人，上面提到的P2、P3是

其中的佼佼者。

在国家863计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下，长沙国防科技大学于19xx年2月研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人，随后于19xx年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运动型机器人系统，并实现了平地前进、后退，左右侧行，左右转弯，上下台阶，上下斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间运动机构上，实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走功能。

经过十年攻关，国防科技大学研制成功我国第一台仿人型机器人——“先行者”，实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的

身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行。

人类与动物相比，除了拥有理性的思维能力、准确的语言表达能力外，拥有一双灵巧的手也是人类的骄傲。正因如此，让机器人也拥有一双灵巧的手成了许多科研人员的目标。 在张启先院士的主持下，北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始灵巧手的研究与开发，最初研究出来的BH－1型灵巧手功能相对简单，但填补了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进，现在的灵巧手已能灵巧地抓持和操作不同材质、不同形状的物体。它配在机器人手臂上充当灵巧末端执行器可扩大机器人的作业范围，完成复杂的装配、搬运等操作。比如它可以用来抓取鸡蛋，既不会使鸡蛋掉下，也不会捏碎鸡蛋。灵巧手在航空航天、医疗护理等方面有应用前景。

灵巧手有三个手指，每个手指有3个关节，3个手指共9个自由度，

微电机放在灵巧手的内部，各关节装有关节角度传感器，指端配有三维

力传感器，采用两级分布式计算机实时控制系统。

仿人型机器人是多门基础学科、多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。因此，仿人形机器人是当代科技的研究热点之一。仿人型机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。目前，我国仿人形机器人研究与世界先进水平相比还有差距。我国科技工作者正在努力向前，我们热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的仿人型机器人与大家见面。

纳米机器人走过来

纳米物理学家在世纪之交畅想了纳米科技发展的未来，它的主调是：纳米科技的发展将使得人类可以直接操纵原子，从而实现人们的很多梦想，如制造仅有少数原子构成的微型纳米机器人，它们可以游走在血管中吃掉沉积在血管壁上的垃圾，它们可以游走在组织间定向地识别和杀死癌细胞，它们可以直接利用太阳能制造面包，甚至于纳米机器人可以自行复制等等。这些听上去似乎是天方夜谭的畅想其实也并非不着边际，分子仿生学就是一门可以使研制纳米机器人成为现实的新学科。

研制"纳米机器人"将成为纳米科技时代的重要内容之一

物理学家总是模拟生物学原理制作各种灵巧的机器，这就是仿生学。仿生学是生物物理学的一个分支学科，它按照生物学原理提出设计原型，制造用于特殊目的的"功能器件"。 "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"。

事实上，细胞就是一个活生生的纳米机器。酶是细胞中种类最多和最活跃的分子，每一个酶分子也是一个个活生生的纳米机器人。酶分子催化底物反应时，其蛋白分子不同结构域之间的相对运动就像是微型人在移动和重新安排底物分子的原子排列顺序。细胞中的很多结构单元都是执行某种功能的微型机器：核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋

白质分子的加工器；高尔基体是给新制造的蛋白质进行修饰的加工厂；加工好的蛋白质可以按照信号肽的指令由膜囊泡运送到确定的部位发挥功能；完成了功能使命的蛋白质会被贴上标签送去被水解成氨基酸成为合成新蛋白的原材料。细胞的生命过程就是这样一批又一批功能相关的蛋白质组群不断替换更新行使功能的过程，这些生命过程所需的一切能量来自太阳。植物叶子中的叶绿体是利用太阳能制造粮食的加工厂；线粒体是把粮食中储存的太阳能释放出来制造成能量货币ATP的车间；我们每人每天都要消耗相当于自身体重那么多的ATP分子以支持我们的生命活动和繁忙的工作。细胞中发生的所有这一切都是按照DNA分子中的基因密码序列指令而井然有序地进行的。

纳米技术可以仿照细胞生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器人，可以预料就在21世纪很多意想不到的微型机器人将出现在人类生活的各个方面，直接或间接地服务于人类。

制造纳米机器人不是从单个原子堆积做起

理论上讲纳米机器人是大量原子或分子按确定顺序聚集而成为具有确定功能的微型器件，但制造纳米机器人不一定是从"零"开始。机器人是由零件组装而成的，纳米机器人的零件可以是单个的原子或分子，但是更现实的是具有一定结构和功能的原子团或分子的集合。利用现实存在的功能器件组装纳米机器人比从一个原子一个原子地构建机器人更为现实可行。生物分子是自然界存在的最丰富的构建纳米机器人的零件的来源，现实可行的途径是按照分子仿生学的原理，利用大量存在的天然分子原器件，设计组装纳米机器人。下面列举几种研制纳米机器人的可能途径：

1.化学模拟

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，因为每一个酶分子都是一个活生生的纳米机器人。但是化学家只模拟了酶活性中心功能基团在空间位置上的配置，而没有模拟出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。因此，化学模拟还有很长的路可走，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。

2.利用分子的自组合原理装配机器人

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是一端亲水另一端疏水的双亲性分子，它们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。为了使包裹了抗癌药物的微囊泡能识别癌细胞，科学家利用了抗体分子对抗原分子的专一识别作用，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"，可以专一地识别和杀死癌细胞。这不就是纳米物理学家倡导的定向杀死癌细胞的纳米机器人吗?

3.利用生物分子作为分子功能器件组装纳米机器人

ATP酶作为分子发动机的研究已经在西方形成热点领域，日本和美国双方已经呈现出强烈的对峙竞争局面。分子发动机问世的意义决不仅仅是制造一种纳米机器人的动力装置，而是开辟了一个新的探索领域，这个领域就是研究生物分子作为微型机器人原器件的可能性。原则上所有的生物分子都是纳米机器人或组成纳米机器人的零件，生物分子的自组合性质就是零件组装的原理依据。因此，开展生物分子作为纳米器件特性和组装原理的研究应当及早倡导和支持。

呼吸链酶系是研究生物分子纳米器件和组装的好材料ATP酶在生物体内是执行能量转化的关键分子之一，它和呼吸链酶系共同组成线粒体的能量转化体系。线粒体的功能是把储存在食物中的太阳能取出来制造机体需求的"能量货币"ATP，在生物体内是呼吸链酶系推动ATP酶制造ATP。如果把ATP酶看作是一部马达，那么呼吸链就如同连接马达和电源的导线。与导线不同的是，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，这些大分子被称为复合物I(NADH-泛醌还原酶)、复合物II(琥珀酸-泛酮还原酶)、复合物III(泛醌-细胞色素C还原酶)和复合物IV(细胞色素C氧化酶)，它们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酶实际上被称作复合物V，它和呼吸链的四个复合物共同组成线粒体的能量转化体系。呼吸链四个复合物进行的电子传递是一个放能的过程，放出的能量用于推动复合物V(ATP酶)制造ATP。

呼吸链酶系可以作为开展纳米器件特性和组装规律的典型研究材料，它具备以下几方面的优点：

（1）呼吸链酶系一直是研究生物能量转化机制的典型实验材料。呼吸链酶系是研究生物能量转化规律的典型实验材料，国内外科学家对它已经研究了近半个多世纪。可以预言：将来制造直接利用太阳能合成面包的纳米机器人很可能要遵循从这个酶系统总结出来的原理和规律而进行组装。

（2）呼吸链中的两个关键酶(复合物III和IV)都有了晶体结构解析的结果，其分子内的电荷转移中心结构清楚，并有大量溶液结构研究数据可参考。

（3）最近我们将纯化的细胞色素C氧化酶(复合物IV)制作成固态薄膜并研究其分子内电子转移特性，发现其分子内的电子传递活性依然完好，而且其电子转移规律和文献中对该酶溶液状态研究的结果很一致。有趣的是发现制成固态薄膜的该种酶，其分子内的电子传递活性具有"电子开关"的特性，这为该种酶作为纳米器件的研究打下了基础。这种研究应该说是我们首先开始的，到目前为止尚未见有过类似的文献报道。

（4）呼吸链四个复合物中的每一个单体酶的分子内部都有各自不同的电子转移中心，它们多数是金属中心，或是某些氨基酸的功能基团。研究分子内电子转移中心的相互关系和电子在其间转移和驻留的规律，有可能发现它们具有的"分子功能器件"的特性。这种研究有可能打开一扇门，使我们看到很多生物分子所具有的纳米器件的特性，这些知识的积累将会产生组装纳米机器人的新思路。

（5）呼吸链四个复合物可以分开制成单体酶，也可以重组合制成不同的呼吸链片段，这为研究纳米器件的装配规律提供了便利。

纳米科技时代需要新型科技人才和新的管理模式

研究生物分子作为功能器件以及利用生物分子功能器件组装纳米机器人的原理和规律

是一个前瞻性的研究，这里需要的是创新的思想和勇敢的探索以及新知识的累积。要有很多新型的人才在这一方向上进行创造性地开拓，因此，新型的纳米人才应当具有多学科交叉的知识和经验。更需要一大批新型管理人才，他们善于在各学科的交叉中有机地组织各方面的专家进行有效的合作。

20世纪初期嫦娥奔月的理想在世纪之末以宇航员登上月球的现实而得以实现，21世纪制造纳米机器人的理想也将在纳米科技的发展中逐步变成现实。

纳米机器人走过来

纳米物理学家在世纪之交畅想了纳米科技发展的未来，它的主调是：纳米科技的发展将使得人类可以直接操纵原子，从而实现人们的很多梦想，如制造仅有少数原子构成的微型纳米机器人，它们可以游走在血管中吃掉沉积在血管壁上的垃圾，它们可以游走在组织间定向地识别和杀死癌细胞，它们可以直接利用太阳能制造面包，甚至于纳米机器人可以自行复制等等。这些听上去似乎是天方夜谭的畅想其实也并非不着边际，分子仿生学就是一门可以使研制纳米机器人成为现实的新学科。

研制"纳米机器人"将成为纳米科技时代的重要内容之一

物理学家总是模拟生物学原理制作各种灵巧的机器，这就是仿生学。仿生学是生物物理学的一个分支学科，它按照生物学原理提出设计原型，制造用于特殊目的的"功能器件"。 "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"。

事实上，细胞就是一个活生生的纳米机器。酶是细胞中种类最多和最活跃的分子，每一个酶分子也是一个个活生生的纳米机器人。酶分子催化底物反应时，其蛋白分子不同结构域之间的相对运动就像是微型人在移动和重新安排底物分子的原子排列顺序。细胞中的很多结构单元都是执行某种功能的微型机器：核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的加工器；高尔基体是给新制造的蛋白质进行修饰的加工厂；加工好的蛋白质可以

按照信号肽的指令由膜囊泡运送到确定的部位发挥功能；完成了功能使命的蛋白质会被贴上标签送去被水解成氨基酸成为合成新蛋白的原材料。细胞的生命过程就是这样一批又一批功能相关的蛋白质组群不断替换更新行使功能的过程，这些生命过程所需的一切能量来自太阳。植物叶子中的叶绿体是利用太阳能制造粮食的加工厂；线粒体是把粮食中储存的太阳能释放出来制造成能量货币ATP的车间；我们每人每天都要消耗相当于自身体重那么多的ATP分子以支持我们的生命活动和繁忙的工作。细胞中发生的所有这一切都是按照DNA分子中的基因密码序列指令而井然有序地进行的。

纳米技术可以仿照细胞生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器人，可以预料就在21世纪很多意想不到的微型机器人将出现在人类生活的各个方面，直接或间接地服务于人类。

制造纳米机器人不是从单个原子堆积做起

理论上讲纳米机器人是大量原子或分子按确定顺序聚集而成为具有确定功能的微型器件，但制造纳米机器人不一定是从"零"开始。机器人是由零件组装而成的，纳米机器人的零件可以是单个的原子或分子，但是更现实的是具有一定结构和功能的原子团或分子的集合。利用现实存在的功能器件组装纳米机器人比从一个原子一个原子地构建机器人更为现实可行。生物分子是自然界存在的最丰富的构建纳米机器人的零件的来源，现实可行的途径是按照分子仿生学的原理，利用大量存在的天然分子原器件，设计组装纳米机器人。下面列举几种研制纳米机器人的可能途径：

1.化学模拟

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，因为每一个酶分子都是一个活生生的纳米机器人。但是化学家只模拟了酶活性中心功能基团在空间位置上的配置，而没有模拟出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。因此，化学模拟还有很长的路可走，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。

2.利用分子的自组合原理装配机器人

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是一端亲水另一端疏水的双亲性分子，它们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。为了使包裹了抗癌药物的微囊泡能识别癌细胞，科学家利用了抗体分子对抗原分子的专一识别作用，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"，可以专一地识别和杀死癌细胞。这不就是纳米物理学家倡导的定向杀死癌细胞的纳米机器人吗?

3.利用生物分子作为分子功能器件组装纳米机器人

ATP酶作为分子发动机的研究已经在西方形成热点领域，日本和美国双方已经呈现出强烈的对峙竞争局面。分子发动机问世的意义决不仅仅是制造一种纳米机器人的动力装置，而是开辟了一个新的探索领域，这个领域就是研究生物分子作为微型机器人原器件的可能性。原则上所有的生物分子都是纳米机器人或组成纳米机器人的零件，生物分子的自组合性质就是零件组装的原理依据。因此，开展生物分子作为纳米器件特性和组装原理的研究应当及早倡导和支持。

呼吸链酶系是研究生物分子纳米器件和组装的好材料ATP酶在生物体内是执行能量转化的关键分子之一，它和呼吸链酶系共同组成线粒体的能量转化体系。线粒体的功能是把储存在食物中的太阳能取出来制造机体需求的"能量货币"ATP，在生物体内是呼吸链酶系推动ATP酶制造ATP。如果把ATP酶看作是一部马达，那么呼吸链就如同连接马达和电源的导线。与导线不同的是，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，这些大分子被称为复合物I(NADH-泛醌还原酶)、复合物II(琥珀酸-泛酮还原酶)、复合物III(泛醌-细胞色素C还原酶)和复合物IV(细胞色素C氧化酶)，它们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酶实际上被称作复合物V，它和呼吸链的四个复合物共同组成线粒体的能量转化体系。呼吸链四个复合物进行的电子传递是一个放能的过程，放出的能量用于推动复合物V(ATP酶)制造ATP。

呼吸链酶系可以作为开展纳米器件特性和组装规律的典型研究材料，它具备以下几方面的优点：

（1）呼吸链酶系一直是研究生物能量转化机制的典型实验材料。呼吸链酶系是研究生物能量转化规律的典型实验材料，国内外科学家对它已经研究了近半个多世纪。可以预言：将来制造直接利用太阳能合成面包的纳米机器人很可能要遵循从这个酶系统总结出来的原理和规律而进行组装。

（2）呼吸链中的两个关键酶(复合物III和IV)都有了晶体结构解析的结果，其分子内的电荷转移中心结构清楚，并有大量溶液结构研究数据可参考。

（3）最近我们将纯化的细胞色素C氧化酶(复合物IV)制作成固态薄膜并研究其分子内电子转移特性，发现其分子内的电子传递活性依然完好，而且其电子转移规律和文献中对该酶溶液状态研究的结果很一致。有趣的是发现制成固态薄膜的该种酶，其分子内的电子传递活性具有"电子开关"的特性，这为该种酶作为纳米器件的研究打下了基础。这种研究应该说是我们首先开始的，到目前为止尚未见有过类似的文献报道。

（4）呼吸链四个复合物中的每一个单体酶的分子内部都有各自不同的电子转移中心，它们多数是金属中心，或是某些氨基酸的功能基团。研究分子内电子转移中心的相互关系和电子在其间转移和驻留的规律，有可能发现它们具有的"分子功能器件"的特性。这种研究有可能打开一扇门，使我们看到很多生物分子所具有的纳米器件的特性，这些知识的积累将会产生组装纳米机器人的新思路。

（5）呼吸链四个复合物可以分开制成单体酶，也可以重组合制成不同的呼吸链片段，这为研究纳米器件的装配规律提供了便利。

纳米科技时代需要新型科技人才和新的管理模式

研究生物分子作为功能器件以及利用生物分子功能器件组装纳米机器人的原理和规律是一个前瞻性的研究，这里需要的是创新的思想和勇敢的探索以及新知识的累积。要有很多

新型的人才在这一方向上进行创造性地开拓，因此，新型的纳米人才应当具有多学科交叉的知识和经验。更需要一大批新型管理人才，他们善于在各学科的交叉中有机地组织各方面的专家进行有效的合作。

20世纪初期嫦娥奔月的理想在世纪之末以宇航员登上月球的现实而得以实现，21世纪制造纳米机器人的理想也将在纳米科技的发展中逐步变成现实。