美研制出可編程的分子機器人

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

　　美國哥倫比亞大學的米蘭·斯多楊諾維克幾年前就研制出了分子機器人“蜘蛛俠”（spider），當時科學家已證明它能夠隨機地在二維表面行走。而現在，斯多楊諾維克領導的團隊通過編程，讓其能夠沿著特定的軌道運動。這一進展的強大之處在于：一旦被編程，機器人就能夠自動完成任務，而不需要人為介入。

　　研究人員表示，分子機器人帶來的好處可以與傳統機器人相媲美：從理論上來說，可以通過編程讓分子機器人感知環境（比如，看細胞中是否出現了疾病的征兆）、作出決定（決定該細胞是否是癌細胞、是否需要中和等）以及實施動作（傳送一個殺死癌癥的藥物）。另外，科學家還可以通過編程讓多個3分子機器人組裝成復雜的分子產品。

　　盡管具有如此廣闊的應用前景，但是，分子機器人面臨的一個實際問題是：如何給分子編程來讓它們完成復雜的任務呢？

　　研究人員表示，普通的機器人內置很多與命令相關的信息，但單個分子的信息存儲量有限，于是，他們考慮在分子的周圍環境中填滿信息線索。他們使用DNA折紙術創造出了一個編程環境，新研究中用到的“折紙”是一個長方體，厚約2納米，邊長約為10納米。

　　DNA折紙術是近年來提出的一種全新的DNA自組裝的方法，由美國加州理工學院教授暨資深研究員保羅·羅斯曼研發完成，是DNA納米技術與DNA自組裝領域的一個重大進展。與傳統的DNA自組裝技術不同，DNA折紙術通過將一條長的DNA單鏈（通常為基因組DNA）與一系列經過設計的短DNA片段進行堿基互補，能夠可控地構造出高度復雜的納米圖案或結構。

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

　　研究人員解釋說，“蜘蛛俠”是一個四足的分子機器人，其中的三條腿由單鏈DNA制造，這種DNA能夠依附并剪切一個特定序列的DNA。“蜘蛛俠”還裝配了一個“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，這個初始位置為DNA折紙軌道上一個特定的寡核苷酸。當“蜘蛛俠”被一個觸發片段觸發，從初始位置出發時，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。最后，當“蜘蛛俠”遇到一團它能夠依附上去但是無法剪切開的DNA的時候，它就自動停下來。簡而言之，“蜘蛛俠”是一個能夠感知環境的機器人。

　　盡管科學家之前也曾研發出了很多其他DNA“漫步者”，但是，這些分子機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，分子機器人能夠行走這么遠這一點本身并不令人吃驚，因為以前就證明“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，并且也能夠引導它自動沿著特定的方向前進。

　　實際上，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”在折紙上匍匐前進的過程，這也表明，他們確實能夠引導“蜘蛛俠”朝四個方向前進。

　　斯多楊諾維克稱，在目前的系統中，“蜘蛛俠”只和周圍的環境“對話”，他們希望接下來能夠增加第二個“蜘蛛俠”，這樣，兩個分子機器人就可以直接交流，同心協力完成一個任務。

　　研究人員也表示，這個進步也將成為可自組裝機器人的基礎，結構復雜的自組裝機器人是由許多簡單部件結合而成的，它們能夠自我組織為任何形狀來完成復雜的任務，也可以在碎裂時自我修復。這樣的分子機器人未來在醫藥領域將大有作為，比如讓“蜘蛛俠”攜帶藥物進入人體，根據身體的環境釋放不同劑量和類型的藥物。

　　斯多楊諾維克表示，盡管這項技術的應用前景非常誘人，但是可能還需要幾十年的努力才能夠實現，不過，現在的研究已經走上了正軌，分子層面的納米機器人將成為未來的發展趨勢。