让分子机器人像鸟一样蜂拥而至

世界上最小的“群体机器人”直径为25纳米，长度为5微米，呈现出类似于鱼类，蚂蚁和鸟类等运动生物的蜂拥行为。“群体机器人是机器人技术中最难以捉摸的主题之一，”北海道大学研究小组的Akira Kakugo说。“鱼群，蚁群和鸟群显示出单独行动无法实现的迷人特征。这些特征包括复杂结构的形成，明显的劳动分工，稳健性和灵活性，所有这些都是通过当地人之间的相互作用而产生的。领导的存在。“受这些特征的启发，研究人员一直致力于开发微型群机器人。

在本研究中，Kakugo和他的合作者建立了一个由机器人的三个基本组成部分组成的分子系统：传感器，信息处理器和执行器。他们使用称为微管和驱动蛋白的细胞蛋白作为执行器，使用DNA作为信息处理器。微管是用作细胞运输系统中的铁路的丝状蛋白质，而驱动蛋白是通过消耗由三磷酸腺苷(ATP)水解获得的化学能而在铁路上运行的运动蛋白质。该团队采取了相反的策略并建立了一个系统，其中微管在驱动蛋白涂层表面上随机移动。

群体机器人的一个主要挑战是构建能够进行可编程自组装的大量单个机器人。该团队通过将DNA分子引入系统来解决这个问题，这些DNA分子在具有互补序列时已知会杂交。在其序列中具有某些程序的化学合成的DNA分子与用绿色或红色荧光染料标记的微管缀合。

然后，研究小组监测了在驱动蛋白涂层表面上滑动的DNA共轭微管的运动。最初，500万个微管在没有任何相互作用的情况下移动。然后，他们添加了单链接头DNA(1-DNA)，编程以启动DNA附着的微管之间的相互作用。在引入I-DNA后，微管开始组装并形成比微管大得多的细胞群。当添加另一个编程为解离群体的单链DNA(d-DNA)时，微管群很快消失。这表明通过在系统中选择性地提供输入DNA信号可以可逆地调节大量微管的群集。

此外，他们在系统中添加了光敏传感器，偶氮苯附着在DNA分子上。它们利用偶氮苯的异构化，其响应于可见光或紫外光的照射而可逆地发生，以打开或关闭DNA分子之间的相互作用。这使得光照射诱导微管的孤立和群体状态之间的转换。研究小组还证明，根据微管的刚性，成群的微管以平移或旋转运动的方式运动。

“这是第一个证据表明分子机器人的蜂拥行为可以通过DNA计算编程的证据。系统通过执行简单的数学运算，如AND或OR运算，作为一个基本的计算机，导致各种结构和复杂的运动。预计这样的系统有助于开发人造肌肉和基因诊断，以及未来建造纳米机器，“Kakugo评论道。