首個可協(xié)同工作分子機器人開發(fā)完成

日本北海道大學(xué)理學(xué)院科學(xué)家成功開發(fā)出世界上第一個利用集群策略工作的微型機器人，首次證明分子機器人能夠通過采用集群策略完成貨物遞送，運輸效率是單個機器人的5倍。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)·機器人》雜志上。

群體機器人學(xué)是一門新學(xué)科，其靈感來自于生物體的合作行為，它專注于機器人的制造及其在群體中完成復(fù)雜的任務(wù)的應(yīng)用。群體是多個個體的有序集體行為。宏觀規(guī)模的群體機器人已被開發(fā)并用于各種應(yīng)用，如運輸、堆積貨物、建造復(fù)雜結(jié)構(gòu)等。

一群相互合作的機器人獲得了單個機器人所沒有的許多特性，它們可以劃分工作量，應(yīng)對風(fēng)險，甚至可以創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來應(yīng)對環(huán)境的變化。由于微米和納米級的微型機器人太小了，因此它們幾乎沒有實際應(yīng)用。但如果它們能夠“結(jié)群”合作，潛在用途將大大增加。

該團(tuán)隊建造了大約500萬臺單分子機器。這些機器由兩個生物組件組成：連接到DNA的微管，使它們能夠聚集；以及驅(qū)動蛋白，作為能夠運輸微管的致動器。DNA與一種名為偶氮苯的光敏化合物結(jié)合在一起，這種化合物起到傳感器的作用，可以控制集群。當(dāng)暴露在可見光下時，偶氮苯的結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致DNA形成雙鏈，并導(dǎo)致微管形成群體。暴露在紫外光下會逆轉(zhuǎn)這一過程。

實驗中使用的貨物由直徑從微米到幾十微米的聚苯乙烯珠子組成。這些珠子用偶氮苯連接的DNA處理；因此，當(dāng)貨物暴露在可見光下時會被裝載，而當(dāng)暴露在紫外光下時則被卸載。然而，分子機器人和貨物中使用的DNA和偶氮苯不同，因此可以獨立于貨物的裝載來控制集群。

單臺機器人可裝載和運輸直徑達(dá)3微米的聚苯乙烯珠子，而成群結(jié)隊的機器人可以運輸直徑達(dá)30微米的貨物。此外，運輸距離和運輸量的比較表明，與單一機器人相比，集群的運輸效率最高可達(dá)5倍。

通過證明分子機器可被設(shè)計成集群并協(xié)作高效地運送貨物，這項研究為微型機器人在各個領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。研究人員表示：“在不久的將來，預(yù)計將看到微型機器人群被用于藥物輸送、污染物收集、分子發(fā)電設(shè)備和微型檢測設(shè)備。”