Самый маленький «робот роя в мире» измеряет 25 миллимикронов в диаметре и 5 микрометров в длине и выставки, роящиеся поведение, напоминающее подвижные организмы, такие как рыба, муравьи и птицы.«Роботы роя – один из самых неуловимых предметов в робототехнике», говорит Акира Кэкуго исследовательской группы в Университете Хоккайдо. «Стаи рыбы, колонии муравьев и стаи птиц показывают захватывающие особенности, которые не могут быть достигнуты людьми, действующими один. Они включают формирование сложных структур, отличные разделения труда, надежность и гибкость, все из которых появляются через местные взаимодействия среди людей без присутствия лидера».
Вдохновленный этими особенностями, исследователи работали, чтобы разработать роботы роя микромасштаба.В данном исследовании Kakugo и его сотрудники построили молекулярную систему, которая состоит из трех важных составляющих робота: датчики, информационные процессоры и приводы головок. Они использовали клеточные белки, названные микроканальцами и kinesins как привод головок и ДНК как информационный процессор.
Микроканальцы – волокнистые белки, которые служат железными дорогами в клеточной системе транспортировки, в то время как kinesins – моторные белки, которые работают на железных дорогах, расходуя химическую энергию, полученную из гидролиза аденозинового трифосфата (ATP). Команда взяла обратную стратегию и построила систему, в которой микроканальцы перемещают беспорядочно в kinesin покрытую поверхность.Основная проблема в робототехнике роя – строительство большого количества отдельных роботов, способных к программируемой самосборке.
Команда решила эту проблему, введя Молекулы ДНК в систему, которые, как известно, скрещиваются, когда у них есть дополнительная последовательность. Химически синтезируемые Молекулы ДНК с определенными программами в их последовательностях спрягаются к микроканальцам, маркированным зеленой или красной краской флюоресценции.
Команда тогда контролировала движения спрягаемых ДНК микроканальцев, скользящих на kinesin покрытая поверхность. Первоначально, пять миллионов микроканальцев переместились без любых взаимодействий друг с другом. Они тогда добавили ДНК компоновщика единственного берега (l-ДНК), запрограммированная, чтобы начать взаимодействия среди приложенных к ДНК микроканальцев. После введения l-ДНК микроканальцы начали собираться и сформированные рои намного большего размера, чем микроканальцы.
Когда другая единственная цепочка ДНК (d-ДНК), запрограммированная, чтобы отделить рои, была добавлена, рои микроканальца скоро исчезли. Это продемонстрировало, что роение большого количества микроканальцев может быть обратимо отрегулировано, выборочно обеспечив входной сигнал ДНК в системе.Кроме того, они добавили светочувствительный датчик к системе, азобензол, приложенный к Молекулам ДНК.
Они использовали изомеризацию азобензола, который происходит обратимо в ответ на озарение видимого или ультрафиолетового света, чтобы включить или от взаимодействия между Молекулами ДНК. Это позволило вызванное переключение фотоозарения между уединенным государством и государством роя микроканальцев. Команда также продемонстрировала, что рои микроканальцев перемещаются с переводным или вращательным движением в зависимости от жесткости микроканальцев.
«Это – первые доказательства, показывающие, что роящееся поведение молекулярных роботов может быть запрограммировано вычислением ДНК. Система действует как основной компьютер, выполняя простые математические операции, такой как И или ИЛИ операции, приводя к различным структурам и сложным движениям.
Ожидается, что такая система способствует в развитии искусственных мышц и генных диагнозов, а также строительства наномашин в будущем», прокомментировал Кэкуго.