新發(fā)明：這個DNA機(jī)器人能分揀貨物
自20世紀(jì)80年代以來，分子機(jī)器的設(shè)計和合成都被認(rèn)為是分子工程的重大挑戰(zhàn)。DNA分子是構(gòu)建分子機(jī)器人的優(yōu)良材料，因為它們的幾何、熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)都很好理解，并且可以被編程。科學(xué)家們越來越多地利用DNA在極小的尺度上構(gòu)建新結(jié)構(gòu)，希望構(gòu)造出來的結(jié)構(gòu)可以用來在體內(nèi)傳送藥物或傳送基因編輯工具。但是到目前為止，DNA機(jī)器人的發(fā)展僅限于簡單的功能。現(xiàn)在，研究人員利用DNA制造出了一種新型的機(jī)器人，用來在最小的尺度上移動和提升貨物。相關(guān)文章發(fā)表在9月15日的Science上。
錢璐璐
文章通訊作者是加州理工大學(xué)的助理教授錢璐璐。錢璐璐以前是上海交大賀林院士的學(xué)生，以國內(nèi)博士畢業(yè)的背景獲得了美國的教職。在新聞發(fā)布會上她解釋說：就像機(jī)電機(jī)器人被送到像火星那樣遙遠(yuǎn)的地方，我們要把分子機(jī)器人送到極小的、人類不能去的地方，www.twshmhelmet.com，如血液循環(huán)系統(tǒng)。我們的目標(biāo)是建立一個可以執(zhí)行復(fù)雜的納米機(jī)械任務(wù)貨物分揀的分子機(jī)器人。
能夠分揀貨物的DNA機(jī)器人是什么樣的
DNA機(jī)器人三部分與貨物作用的簡圖
研究人員目標(biāo)是創(chuàng)造出一種能夠在指定空間內(nèi)拾取和排序分子的機(jī)器人。為此，他們用單鏈DNA創(chuàng)建了一個有三部分的結(jié)構(gòu)。為了幫助它在指定的空間內(nèi)移動，機(jī)器人有一條腿和一雙腳；有手一樣的手臂允許它攜帶貨物；被添加上去的第三個組件可以讓DNA機(jī)器人到達(dá)一個特定的點時，知道釋放貨物。DNA機(jī)器人識別分子貨物和卸貨是通過簡單的算法實現(xiàn)的。該機(jī)器人無需任何能量供給即可進(jìn)行隨機(jī)行走。
DNA機(jī)器人功用測試
為了測試他們的機(jī)器人，研究者們創(chuàng)建了一塊板，www.twshmhelmet.com，上面有一條條的單鏈DNA，機(jī)器人可以用一只腳綁住其中一根；同時，另一只腳會自由擺動，直到它在板上找到另一根。以這種方式移動，機(jī)器人需要五分鐘才能邁出六納米的一步。
DNA機(jī)器人分揀貨物示意圖
在58納米長、58納米寬的平板上，當(dāng)機(jī)器人碰到貨物熒光黃和粉紅色的染料分子時，能夠把它撿起來，根據(jù)顏色將它送到指定的位置。機(jī)器人的設(shè)計是在所有的貨物被分類完畢之前繼續(xù)這個過程。24個小時后，微型機(jī)器人成功地將三個粉紅色和三個黃色分子排序。經(jīng)過多次重復(fù)后研究人員創(chuàng)造出的機(jī)器人，有80%的機(jī)會準(zhǔn)確地運送貨物。
微型機(jī)器人，大應(yīng)用
據(jù)研究人員介紹，他們的機(jī)器人可以通過許多不同的方式工作。比如幾個機(jī)器人可以在同一區(qū)域工作，而不干擾其他的任務(wù)；或者他們可以被設(shè)計為相互作用。然而，為了讓機(jī)器人更有用，他們需要工作得更快一點。研究人員提出向機(jī)器人添加尾巴或馬達(dá)也許能加快速度。
另外通過機(jī)器人之間的簡單通信，他們可以完成更復(fù)雜的任務(wù)。通過開發(fā)模塊化和集體化的分子機(jī)器人，用系統(tǒng)化的方法，分子機(jī)器人最終可以像宏觀機(jī)器人那樣容易編程，但可以在微觀環(huán)境中工作。
本期Science上為這篇文章撰寫評論的JohnH.Reif指出該文章主要的進(jìn)步是在研究者的方法論上。他認(rèn)為類似的系統(tǒng)應(yīng)該能夠執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，工業(yè)機(jī)器人維修，例如并行執(zhí)行化學(xué)合成。
雖然錢璐璐在新聞稿中指出她的實驗室工作側(cè)重于理解工程學(xué)原理，開發(fā)的是通用的DNA機(jī)器人。她希望其他研究人員將能找到應(yīng)用的程序。例如，用DNA機(jī)器人在人造的分子工廠中來組裝化學(xué)藥物，或者在探測到特定的疾病信號時，將藥物分子運輸?shù)窖褐谢蛘呒?xì)胞中指定的地方。甚至可以將垃圾的分子成分分類回收。