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唤醒分子“蜘蛛侠” |
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《自然》：一旦被编程，分子机器人就能自动完成任务 |
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美国研究人员在分子机器人研究方面获得了重大突破。他们对一个由DNA（脱氧核糖核酸）制成的分子机器人进行了编程，让其沿着一个DNA轨道前进、移动、后退、停下。该项技术进步或许可以让科学家最终制造出分子级别的、仿如变形金刚一样可自组装的机器人来完成不同的任务。相关研究发表在5月13日出版的《自然》杂志上。
美国哥伦比亚大学的米兰·斯多杨诺维克几年前就研制出了分子机器人“蜘蛛侠”（spider），当时科学家已证明它能够随机地在二维表面行走。而现在，斯多杨诺维克领导的团队通过编程，让其能够沿着特定的轨道运动。这一进展的强大之处在于：一旦被编程，机器人就能够自动完成任务，而不需要人为介入。
研究人员表示，分子机器人带来的好处可以与传统机器人相媲美：从理论上来说，可以通过编程让分子机器人感知环境（比如，看细胞中是否出现了疾病的征兆）、作出决定（决定该细胞是否是癌细胞、是否需要中和等）以及实施动作（传送一个杀死癌症的药物）。另外，科学家还可以通过编程让多个3分子机器人组装成复杂的分子产品。
尽管具有如此广阔的应用前景，但是，分子机器人面临的一个实际问题是：如何给分子编程来让它们完成复杂的任务呢？
研究人员表示，普通的机器人内置很多与命令相关的信息，但单个分子的信息存储量有限，于是，他们考虑在分子的周围环境中填满信息线索。他们使用DNA折纸术创造出了一个编程环境，新研究中用到的“折纸”是一个长方体，厚约2纳米，边长约为10纳米。
DNA折纸术是近年来提出的一种全新的DNA自组装的方法，由美国加州理工学院教授暨资深研究员保罗·罗斯曼研发完成，是DNA纳米技术与DNA自组装领域的一个重大进展。与传统的DNA自组装技术不同，DNA折纸术通过将一条长的DNA单链（通常为基因组DNA）与一系列经过设计的短DNA片段进行碱基互补，能够可控地构造出高度复杂的纳米图案或结构。
通过将一些单链DNA分子（寡核苷酸）串联在一起，研究人员在DNA折纸上铺设了一团分子“面包屑”轨道，在这些分子“面包屑”的“命令”下，分子机器人“蜘蛛侠”会沿着轨道作出前进、行走、左转、右转或者停下的动作。
研究人员解释说，“蜘蛛侠”是一个四足的分子机器人，其中的三条腿由单链DNA制造，这种DNA能够依附并剪切一个特定序列的DNA。“蜘蛛侠”还装配了一个“开始片段”，也就是它的第四条腿，它将“蜘蛛侠”限制在初始位置上，这个初始位置为DNA折纸轨道上一个特定的寡核苷酸。当“蜘蛛侠”被一个触发片段触发，从初始位置出发时，通过依附然后剪切该分子轨道上的其他片段，它能够沿着轨道前行。最后，当“蜘蛛侠”遇到一团它能够依附上去但是无法剪切开的DNA的时候，它就自动停下来。简而言之，“蜘蛛侠”是一个能够感知环境的机器人。
尽管科学家之前也曾研发出了很多其他DNA“漫步者”，但是，这些分子机器人从来没有迈出过3步，而“蜘蛛侠”可以行走约100纳米，大约50步。
研究人员表示，分子机器人能够行走这么远这一点本身并不令人吃惊，因为以前就证明“蜘蛛侠”能够走几百步，该研究的意义在于，我们不仅能够保证“蜘蛛侠”迈出那么多步子，并且也能够引导它自动沿着特定的方向前进。
实际上，使用原子力显微镜和单分子荧光显微镜，研究人员能够直接观察“蜘蛛侠”在折纸上匍匐前进的过程，这也表明，他们确实能够引导“蜘蛛侠”朝四个方向前进。
斯多杨诺维克称，在目前的系统中，“蜘蛛侠”只和周围的环境“对话”，他们希望接下来能够增加第二个“蜘蛛侠”，这样，两个分子机器人就可以直接交流，同心协力完成一个任务。
研究人员也表示，这个进步也将成为可自组装机器人的基础，结构复杂的自组装机器人是由许多简单部件结合而成的，它们能够自我组织为任何形状来完成复杂的任务，也可以在碎裂时自我修复。这样的分子机器人未来在医药领域将大有作为，比如让“蜘蛛侠”携带药物进入人体，根据身体的环境释放不同剂量和类型的药物。
斯多杨诺维克表示，尽管这项技术的应用前景非常诱人，但是可能还需要几十年的努力才能够实现，不过，现在的研究已经走上了正轨，分子层面的纳米机器人将成为未来的发展趋势。
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