首个可协同工作分子机器人开发完成

一群分子机器人运输货物的示意图（上）和运输蓝色球状货物的分子机器人的荧光图像（下）。比例尺为 20 微米。通过指定光照射的位置，可以将货物集中在指定的目的地（右）。比例尺为 50 微米。图片来源：穆苏米·阿克特等人。《科学机器人》

日本北海道大学理学院科学家成功开发出世界上第一个利用集群策略工作的微型机器人，首次证明分子机器人能够通过采用集群策略完成货物递送，运输效率是单个机器人的5倍。这一发现20日发表在《科学·机器人》杂志上。

群体机器人学是一门新学科，其灵感来自于生物体的合作行为，它专注于机器人的制造及其在群体中完成复杂的任务的应用。群体是多个个体的有序集体行为。宏观规模的群体机器人已被开发并用于各种应用，如运输、堆积货物、建造复杂结构等。

一群相互合作的机器人获得了单个机器人所没有的许多特性，它们可以划分工作量，应对风险，甚至可以创建复杂的结构来应对环境的变化。由于微米和纳米级的微型机器人太小了，因此它们几乎没有实际应用。但如果它们能够“结群”合作，潜在用途将大大增加。

该团队建造了大约500万台单分子机器。这些机器由两个生物组件组成：连接到DNA的微管，使它们能够聚集；以及驱动蛋白，作为能够运输微管的致动器。DNA与一种名为偶氮苯的光敏化合物结合在一起，这种化合物起到传感器的作用，可以控制集群。当暴露在可见光下时，偶氮苯的结构变化导致DNA形成双链，并导致微管形成群体。暴露在紫外光下会逆转这一过程。

实验中使用的货物由直径从微米到几十微米的聚苯乙烯珠子组成。这些珠子用偶氮苯连接的DNA处理；因此，当货物暴露在可见光下时会被装载，而当暴露在紫外光下时则被卸载。然而，分子机器人和货物中使用的DNA和偶氮苯不同，因此可以独立于货物的装载来控制集群。

单台机器人可装载和运输直径达3微米的聚苯乙烯珠子，而成群结队的机器人可以运输直径达30微米的货物。此外，运输距离和运输量的比较表明，与单一机器人相比，集群的运输效率最高可达5倍。

通过证明分子机器可被设计成集群并协作高效地运送货物，这项研究为微型机器人在各个领域的应用奠定了基础。研究人员表示：“在不久的将来，预计将看到微型机器人群被用于药物输送、污染物收集、分子发电设备和微型检测设备。”（张佳欣）