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DNA机器人设计时间从几天缩短至几分钟

科学家预计在未来五到十年之内,以基因材料制造的纳米机器人就会投放市场。这些纳米设备可以在人体内探查致命病原体、递送药物,甚至还可以辅助制造更小的电子设备,有着广泛的应用前景。

DNA机器人设计时间从几天缩短至几分钟一个纳米机械臂的爪子可以拾起极小的物体。(Ohio State University)以基因材料制造的机器人就是把微小的DNA片段组合成像马达和铰链等各种所需的部件,再组装在一起,可以自行移动,在生物体内完成一系列任务的自动化设备。美国俄亥俄州立大学(The Ohio State University)的研究人员发明了一套软件,把设计这种机器人的时间从以前所需的几天,缩短到几分钟,并可以设计更复杂的机器人。部件数量增多研究者之一俄亥俄州立大学机械和航空航天工程学教授苏海俊(Hai-Jun Su,音译)说:“以前我们设计的设备最多含有6个部件连接起来活动。有了这个新软件,设计最多含有20个部件的设备都不难,而且更易于控制。这是纳米设备设计领域一项很大的进步。”三维设计以前,研究人员只能进行二维平面的设计,再投射成立体物件。这个软件让研究人员可以直接进行三维立体设计,所以现在能够完成的设计复杂度更高。两种设计思路另外,这个软件支持两种设计思路,既可以从局部到整体,也可以从整体到局部,也是助力复杂设计的重要进步所在。从局部到整体意味着,研究人员先用DNA片段设计局部结构,这样能精确设计局部结构的特性,并保持对其精准的控制。从整体到局部意味着,研究人员先决定设备总体的几何形状,然后考虑怎样把DNA片段按照需要拼凑起来满足整体的要求。这两种设计思路搭配使用,可以设计出几何形状更复杂的纳米设备,并保持对个体部件的精准控制。对运作情况的模拟这个软件还有一个重要的优点在于,设计人员可以在软件内模拟设备在真实世界内的移动和使用情况。合作研究者机械和航空航天工程学副教授卡斯特罗(Carlos Castro)说:“随着结构复杂度的增加,很难估计它们最后的样子和行为。所以能够模拟它们的运作这很重要,否则会浪费我们很多时间。”只有头发千分之一大的“飞机”研究人员设计了几个设备来展示此软件的能力,包括带有爪子的机械臂,用于抓取很小的物品;和只有一百个纳米大小的、像“飞机”一样的结构。这样的“飞机”只有人类头发的千分之一那么小。卡斯特罗说,更复杂的机器人意味着可以做更多的事情,甚至是同一个设备可以完成多种任务。比如,以前的设备只能进入生物体探测致命病原体的存在,更复杂的机器人可以在找到病原体后将其捕获,或者是有针对性地释放药物对付它。卡斯特罗说:“DNA纳米技术的商业利益越来越明确。我估计在未来五到十年内,我们将看到商业化的DNA纳米设备。我们有信心这个软件有助于推动实现这个目标。”这项研究4月19日发表于《自然·材料》(Nature Materials)期刊。

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