21、化学群机器人：原理、模拟与实现

化学群机器人：原理、模拟与实现

1. 化学群机器人简介

“机器人”一词源于卡雷尔·恰佩克1921年的戏剧《罗萨姆的万能机器人》（RUR），不过恰佩克设想的机器人并非基于机电设备，而是由类似胶体果冻的软物质构成。在自然界中，许多生物会通过化学信号协调行动，例如黏菌通过细胞外环腺苷酸（cAMP）进行交流。

化学群机器人是人工合成的实体，其行为类似于微生物群落。它们通常是尺寸达几十微米的内部结构化颗粒，与单细胞生物大小相当。化学机器人的主体包含用于存储化学物质的内部隔室，这些隔室类似于活细胞中的液泡。半透外壳不仅决定其大小和形状，还能调节分子的扩散速率以及与底物的粘附。此外，内外膜的渗透性会随温度或pH等局部刺激而变化，从而实现化学物质的可控释放。

化学群机器人的应用目标包括定位和选择性结合目标底物、在目标区域控制释放化学物质以及吸收或消除环境中的化学污染物。例如，在靶向药物递送中，化学群机器人可携带药物通过血流到达所需组织，并通过配体 - 受体相互作用选择性结合，外部刺激会触发药物释放，这在癌症化疗中具有重要意义，可减少强效药物的副作用。

与传统的群体系统不同，化学群机器人的描述需要考虑微观化学环境的物理性质，如布朗运动、化学信号的扩散等。它们通常处于液相环境中，会受到各种相互作用力的影响。机器人的运动可通过周围流体的流动实现长距离被动运动，在局部则结合随机布朗运动和因局部浓度梯度引起的定向运动，如扩散泳动。其所处环境的拓扑结构对空间分布有重要影响，可将其描述为随机多孔介质，机器人需通过随机和定向运动找到化学污染物的源头。

为设计化学群机器人，需进行计算机辅助设计，通过详细的数学建模考虑相关物理定律，研究关键参数对任务成功率的影响。模拟输出的特