美在分子機(jī)器人研究方面獲得重大突破

美國研究人員在分子機(jī)器人研究方面獲得了重大突破。他們對一個(gè)由DNA（脫氧核糖核酸）制成的分子機(jī)器人進(jìn)行了編程，讓其沿著一個(gè)DNA軌道前進(jìn)、移動(dòng)、后退、停下。該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步或許可以讓科學(xué)家終制造出分子級別的、仿如變形金剛一樣可自組裝的機(jī)器人來完成不同的任務(wù)。相關(guān)研究發(fā)表在5月13日出版的《自然》雜志上。

        美國哥倫比亞大學(xué)的米蘭·斯多楊諾維克幾年前就研制出了分子機(jī)器人“蜘蛛俠”（spider），當(dāng)時(shí)科學(xué)家已證明它能夠隨機(jī)地在二維表面行走。而現(xiàn)在，斯多楊諾維克領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)通過編程，讓其能夠沿著特定的軌道運(yùn)動(dòng)。這一進(jìn)展的強(qiáng)大之處在于：一旦被編程，機(jī)器人就能夠自動(dòng)完成任務(wù)，而不需要人為介入。

        研究人員表示，分子機(jī)器人帶來的好處可以與傳統(tǒng)機(jī)器人相媲美：從理論上來說，可以通過編程讓分子機(jī)器人感知環(huán)境（比如，看細(xì)胞中是否出現(xiàn)了疾病的征兆）、作出決定（決定該細(xì)胞是否是癌細(xì)胞、是否需要中和等）以及實(shí)施動(dòng)作（傳送一個(gè)殺死癌癥的藥物）。另外，科學(xué)家還可以通過編程讓多個(gè)3分子機(jī)器人組裝成復(fù)雜的分子產(chǎn)品。

        研究人員表示，普通的機(jī)器人內(nèi)置很多與命令相關(guān)的信息，但單個(gè)分子的信息存儲量有限，于是，他們考慮在分子的周圍環(huán)境中填滿信息線索。他們使用DNA折紙術(shù)創(chuàng)造出了一個(gè)編程環(huán)境，新研究中用到的“折紙”是一個(gè)長方體，厚約2納米，邊長約為10納米。

        DNA折紙術(shù)是近年來提出的一種全新的DNA自組裝的方法，由美國加州理工學(xué)院教授暨研究員保羅·羅斯曼研發(fā)完成，是DNA納米技術(shù)與DNA自組裝領(lǐng)域的一個(gè)重大進(jìn)展。與傳統(tǒng)的DNA自組裝技術(shù)不同，DNA折紙術(shù)通過將一條長的DNA單鏈（通常為基因組DNA）與一系列經(jīng)過設(shè)計(jì)的短DN***段進(jìn)行堿基互補(bǔ)，能夠可控地構(gòu)造出高度復(fù)雜的納米圖案或結(jié)構(gòu)。

        通過將一些單鏈DNA分子（寡核苷酸）串聯(lián)在一起，研究人員在DNA折紙上鋪設(shè)了一團(tuán)分子“面包屑”軌道，在這些分子“面包屑”的“命令”下，分子機(jī)器人“蜘蛛俠”會沿著軌道作出前進(jìn)、行走、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或者停下的動(dòng)作。

        研究人員解釋說，“蜘蛛俠”是一個(gè)四足的分子機(jī)器人，其中的三條腿由單鏈DNA制造，這種DNA能夠依附并剪切一個(gè)特定序列的DNA。“蜘蛛俠”還裝配了一個(gè)“開始片段”，也就是它的第四條腿，它將“蜘蛛俠”限制在初始位置上，這個(gè)初始位置為DNA折紙軌道上一個(gè)特定的寡核苷酸。當(dāng)“蜘蛛俠”被一個(gè)觸發(fā)片段觸發(fā)，從初始位置出發(fā)時(shí)，通過依附然后剪切該分子軌道上的其他片段，它能夠沿著軌道前行。后，當(dāng)“蜘蛛俠”遇到一團(tuán)它能夠依附上去但是無法剪切開的DNA的時(shí)候，它就自動(dòng)停下來。簡而言之，“蜘蛛俠”是一個(gè)能夠感知環(huán)境的機(jī)器人。

        盡管科學(xué)家之前也曾研發(fā)出了很多其他DNA“漫步者”，但是，這些分子機(jī)器人從來沒有邁出過3步，而“蜘蛛俠”可以行走約100納米，大約50步。

        研究人員表示，分子機(jī)器人能夠行走這么遠(yuǎn)這一點(diǎn)本身并不令人吃驚，因?yàn)橐郧熬妥C明“蜘蛛俠”能夠走幾百步，該研究的意義在于，我們不僅能夠保證“蜘蛛俠”邁出那么多步子，并且也能夠引導(dǎo)它自動(dòng)沿著特定的方向前進(jìn)。

        實(shí)際上，使用原子力顯微鏡和單分子熒光顯微鏡，研究人員能夠直接觀察“蜘蛛俠”在折紙上匍匐前進(jìn)的過程，這也表明，他們確實(shí)能夠引導(dǎo)“蜘蛛俠”朝四個(gè)方向前進(jìn)。
     
        研究人員也表示，這個(gè)進(jìn)步也將成為可自組裝機(jī)器人的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的自組裝機(jī)器人是由許多簡單部件結(jié)合而成的，它們能夠自我組織為任何形狀來完成復(fù)雜的任務(wù)，也可以在碎裂時(shí)自我修復(fù)。這樣的分子機(jī)器人未來在醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛?，比如?ldquo;蜘蛛俠”攜帶藥物進(jìn)入人體，根據(jù)身體的環(huán)境釋放不同劑量和類型的藥物。