提到機(jī)器人，大家腦海中浮現(xiàn)出的第一印象可能都是那些長(zhǎng)得似人非人，有著鋼筋鐵骨的呆萌機(jī)器。
但與大家的直觀感受有所不同，其實(shí)“機(jī)器人”這一概念的定義非常寬泛，凡是能自主執(zhí)行任務(wù)，用來(lái)協(xié)助人類工作的人造裝置，都能算做是機(jī)器人。所以廣義上說(shuō)，生產(chǎn)線上的裝配機(jī)，食堂里切刀削面的奧特曼，乃至家里常見(jiàn)的滾筒洗衣機(jī)，都屬于機(jī)器人的范疇。
而有一類特殊的新概念“機(jī)器人”，既沒(méi)有鋼鐵身軀，也沒(méi)有電子元件，這種讓人感覺(jué)摸不著頭腦的“機(jī)器人”，就是納米機(jī)器人了。
什么是納米機(jī)器人？
通俗來(lái)講，所有能夠在納米（也包括幾微米）尺度上完成任務(wù)的東西，都能算作納米元件，其中當(dāng)然也包括細(xì)胞內(nèi)合成蛋白的核糖體，溶解細(xì)胞廢物的溶酶體，在細(xì)胞間傳輸信號(hào)的外泌體等等。
但如果說(shuō)他們是機(jī)器人，還差了一個(gè)至關(guān)重要的因素，那就是人工制造。與這些天然納米原件相似，納米機(jī)器人也是在納米尺度上執(zhí)行化學(xué)或生化任務(wù)，構(gòu)成這些納米機(jī)器人的，一般也不是電子元件，而往往是一些有機(jī)分子（也有可能帶有金屬等無(wú)機(jī)部件）。驅(qū)動(dòng)它們運(yùn)行的，一般也不是宏觀機(jī)器人常用的電能，而是天然納米原件中常見(jiàn)的生物化學(xué)反應(yīng)。而納米機(jī)器人和天然納米原件的主要區(qū)別，就是納米機(jī)器人執(zhí)行的不是老天爺在幾百幾千萬(wàn)年前制定的任務(wù)，而是設(shè)計(jì)他們的科學(xué)家開(kāi)的腦洞。
納米“領(lǐng)航員”機(jī)器人
近日，上海交通大學(xué)和中科院上海應(yīng)用物理研究所的科學(xué)家們就開(kāi)發(fā)出了一種很有趣的納米“領(lǐng)航員”機(jī)器人（發(fā)表在nature material，自然。材料上）。它們使用DNA“折紙”（dna origami）制作了一種納米尺度的方形二維結(jié)構(gòu)，然后在上面的特定路線留下發(fā)夾狀的DNA分子路標(biāo)。之后再加入能“激活”這些路邊的啟動(dòng)子（只需要一個(gè)喲）和用于促使反應(yīng)持續(xù)的“燃料”分子，單分子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就能沿著設(shè)計(jì)者留下的分子路標(biāo)向前推進(jìn)。
這個(gè)納米領(lǐng)航員機(jī)器人的工作方式很像大家常見(jiàn)的多米諾骨牌
看著很暈是不是？下面我用人話來(lái)翻譯一下。大家想象一下，二維的DNA折紙就像一塊地板。在地板上，有一排用DNA分子做成的多米諾骨牌，在沒(méi)有啟動(dòng)分子的情況下，這些骨牌都是穩(wěn)定得立著的，但當(dāng)你向骨牌的一端扔下一塊啟動(dòng)分子的時(shí)候，這些骨牌就會(huì)依次朝著另一端倒下，從而使倒下的骨牌形成一條明顯的通向另一端的路徑。
但與能同時(shí)觸發(fā)多條分叉路徑的多米諾骨牌不同，在這個(gè)納米領(lǐng)航員的骨牌游戲里，如果留下的DNA路標(biāo)被做成了有多條分叉的迷宮，單分子“領(lǐng)航員”就只會(huì)隨機(jī)沿著其中的一條路徑向前延伸（也有可能走到死路）。不過(guò)，這樣的一張納米折紙比大家用來(lái)玩骨牌的地板要小得多，也就是說(shuō)可以在不大的面積里同時(shí)放下許多這樣的DNA納米折紙。哪怕單個(gè)單元里，“分子領(lǐng)航員”找到正確路徑的概率不大，只要有足夠多的納米折紙，總有一些運(yùn)氣比較好的分子領(lǐng)航員會(huì)找到走出迷宮的最佳路徑。
被大量領(lǐng)航員納米機(jī)器人暴力破解的迷宮路徑
簡(jiǎn)而言之，在這個(gè)納米骨牌系統(tǒng)里，每一片DAN納米折紙和它上面的分子領(lǐng)航員，都可以被看成一個(gè)計(jì)算單元。由于一片折紙只有納米尺寸，可以在微米尺度的面積內(nèi)放下許多個(gè)計(jì)算單元，擁有可觀的計(jì)算能力。這種特性可以被用來(lái)用枚舉法“暴力破解”納米迷宮，也有希望被用來(lái)制造納米級(jí)別的分子傳感結(jié)構(gòu)。從這種意義上說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)被稱為納米“機(jī)器人”，或者說(shuō)分子計(jì)算機(jī)，也算當(dāng)之無(wú)愧了。
納米機(jī)器人：精確打擊實(shí)體腫瘤
基于有機(jī)分子的“納米機(jī)器人”，遠(yuǎn)不止有暴力破解納米迷宮這一種聽(tīng)起來(lái)不太貼近生活的功能。前一段時(shí)間，我們?cè)?jīng)報(bào)道過(guò)，亞利桑那州立大學(xué)和中國(guó)納米科學(xué)中心的科研人員，開(kāi)發(fā)出了一種同樣是基于DNA折紙技術(shù)，且可以精確打擊實(shí)體腫瘤的“納米機(jī)器人”，該文章發(fā)表在今年二月的nature biotechnology （自然，生物技術(shù)）。簡(jiǎn)而言之，這個(gè)納米機(jī)器人在被注射入體內(nèi)之后，可以利用外表攜帶的腫瘤特異性配體（aptamer），識(shí)別腫瘤富集的局部環(huán)境，并在找到這種特殊的靶點(diǎn)環(huán)境之后由筒狀展開(kāi)成片狀，露出內(nèi)部攜帶的能殺傷實(shí)體腫瘤的藥物 （在他們的設(shè)計(jì)中是凝血酶）。其工作機(jī)理非常類似于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中常用，能尋找攻擊目標(biāo)并在到達(dá)目標(biāo)后才起爆的精確制導(dǎo)巡航導(dǎo)彈。
抗腫瘤納米機(jī)器人，兩邊的綠色dna配體用來(lái)識(shí)別腫瘤細(xì)胞，中間攜帶的紫色物體是抗實(shí)體瘤所用的凝血酶 上圖為巡航狀態(tài)，下圖為攻擊狀態(tài)
除了上文中介紹到的兩種納米機(jī)器人之外，還有很多種用于精確給藥等功能的納米機(jī)器人，其中的一些聽(tīng)起來(lái)非?？苹?，已經(jīng)超出了作者的了解范圍，在此就不班門弄斧了。
值得注意的是，而包括本文詳細(xì)介紹的兩種技術(shù)在內(nèi)的幾乎所有納米機(jī)器人，都不需要電能驅(qū)動(dòng)，它們的工作過(guò)程，高度依賴于它們自己的特殊物理性質(zhì)和高度特異的化學(xué)反應(yīng)。這就導(dǎo)致了它們的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程不僅非常復(fù)雜，而且成本高昂。
我相信，如何讓這些高端大氣上檔次的新概念納米機(jī)器人，逐步走入尋常百姓的生活，將會(huì)是很多科學(xué)家在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)努力的目標(biāo)。讓我們拭目以待吧！
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