科學家預計在未來五到十年之內,以基因材料製造的納米機器人就會投放市場。這些納米設備可以在人體內探查致命病原體、遞送藥物,甚至還可以輔助製造更小的電子設備,有著廣泛的應用前景。
以基因材料製造的機器人就是把微小的DNA片段組合成像馬達和鉸鏈等各種所需的部件,再組裝在一起,可以自行移動,在生物體內完成一系列任務的自動化設備。
美國俄亥俄州立大學(The Ohio State University)的研究人員發明了一套軟件,把設計這種機器人的時間從以前所需的幾天,縮短到幾分鐘,並可以設計更複雜的機器人。
研究者之一俄亥俄州立大學機械和航空航天工程學教授蘇海俊(Hai-Jun Su,音譯)說:「以前我們設計的設備最多含有6個部件連接起來活動。有了這個新軟件,設計最多含有20個部件的設備都不難,而且更易於控制。這是納米設備設計領域一項很大的進步。」
以前,研究人員只能進行二維平面的設計,再投射成立體物件。這個軟件讓研究人員可以直接進行三維立體設計,所以現在能夠完成的設計複雜度更高。
另外,這個軟件支持兩種設計思路,既可以從局部到整體,也可以從整體到局部,也是助力複雜設計的重要進步所在。
從局部到整體意味著,研究人員先用DNA片段設計局部結構,這樣能精確設計局部結構的特性,並保持對其精準的控制。從整體到局部意味著,研究人員先決定設備總體的幾何形狀,然後考慮怎樣把DNA片段按照需要拼湊起來滿足整體的要求。
這兩種設計思路搭配使用,可以設計出幾何形狀更複雜的納米設備,並保持對個體部件的精準控制。
這個軟件還有一個重要的優點在於,設計人員可以在軟件內模擬設備在真實世界內的移動和使用情況。合作研究者機械和航空航天工程學副教授卡斯特羅(Carlos Castro)說:「隨著結構複雜度的增加,很難估計它們最後的樣子和行為。所以能夠模擬它們的運作這很重要,否則會浪費我們很多時間。」
研究人員設計了幾個設備來展示此軟件的能力,包括帶有爪子的機械臂,用於抓取很小的物品;和只有一百個納米大小的、像「飛機」一樣的結構。這樣的「飛機」只有人類頭髮的千分之一那麼小。
卡斯特羅說,更複雜的機器人意味著可以做更多的事情,甚至是同一個設備可以完成多種任務。比如,以前的設備只能進入生物體探測致命病原體的存在,更複雜的機器人可以在找到病原體後將其捕獲,或者是有針對性地釋放藥物對付它。
卡斯特羅說:「DNA納米技術的商業利益越來越明確。我估計在未來五到十年內,我們將看到商業化的DNA納米設備。我們有信心這個軟件有助於推動實現這個目標。」
這項研究5月10日發表於《自然·材料》(Nature Materials)期刊。