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日本北海道大學理學院科學家開發出可協同工作分子機器人

2022-04-21 16:17:10 來源：科技日報

日本北海道大學理學院科學家成功開發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。這一發現20日發表在《科學·機器人》雜志上。

群體機器人學是一門新學科，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雜的任務的應用。群體是多個個體的有序集體行為。宏觀規模的群體機器人已被開發并用于各種應用，如運輸、堆積貨物、建造復雜結構等。

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，應對風險，甚至可以創建復雜的結構來應對環境的變化。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用。但如果它們能夠“結群”合作，潛在用途將大大增加。

該團隊建造了大約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合在一起，這種化合物起到傳感器的作用，可以控制集群。當暴露在可見光下時，偶氮苯的結構變化導致DNA形成雙鏈，并導致微管形成群體。暴露在紫外光下會逆轉這一過程。

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，當貨物暴露在可見光下時會被裝載，而當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3微米的聚苯乙烯珠子，而成群結隊的機器人可以運輸直徑達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5倍。

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

關鍵詞：日本北海道北海道大學分子機器人集群策略