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日本北海道大學(xué)理學(xué)院科學(xué)家成功開發(fā)出世界上第一個(gè)利用集群策略工作的微型機(jī)器人，首次證明分子機(jī)器人能夠通過采用集群策略完成貨物遞送，運(yùn)輸效率是單個(gè)機(jī)器人的5倍。這一發(fā)現(xiàn)20日發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人》雜志上。
群體機(jī)器人學(xué)是一門新學(xué)科，其靈感來自于生物體的合作行為，它專注于機(jī)器人的制造及其在群體中完成復(fù)雜的任務(wù)的應(yīng)用。群體是多個(gè)個(gè)體的有序集體行為。宏觀規(guī)模的群體機(jī)器人已被開發(fā)并用于各種應(yīng)用，如運(yùn)輸、堆積貨物、建造復(fù)雜結(jié)構(gòu)等。
一群相互合作的機(jī)器人獲得了單個(gè)機(jī)器人所沒有的許多特性，它們可以劃分工作量，應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，甚至可以創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化。由于微米和納米級(jí)的微型機(jī)器人太小了，因此它們幾乎沒有實(shí)際應(yīng)用。但如果它們能夠“結(jié)群”合作，潛在用途將大大增加。
該團(tuán)隊(duì)建造了大約500萬臺(tái)單分子機(jī)器。這些機(jī)器由兩個(gè)生物組件組成：連接到DNA的微管，使它們能夠聚集；以及驅(qū)動(dòng)蛋白，作為能夠運(yùn)輸微管的致動(dòng)器。DNA與一種名為偶氮苯的光敏化合物結(jié)合在一起，這種化合物起到傳感器的作用，可以控制集群。當(dāng)暴露在可見光下時(shí)，偶氮苯的結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致DNA形成雙鏈，并導(dǎo)致微管形成群體。暴露在紫外光下會(huì)逆轉(zhuǎn)這一過程。
實(shí)驗(yàn)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(dāng)貨物暴露在可見光下時(shí)會(huì)被裝載，而當(dāng)暴露在紫外光下時(shí)則被卸載。然而，分子機(jī)器人和貨物中使用的DNA和偶氮苯不同，因此可以獨(dú)立于貨物的裝載來控制集群。
單臺(tái)機(jī)器人可裝載和運(yùn)輸直徑達(dá)3微米的聚苯乙烯珠子，而成群結(jié)隊(duì)的機(jī)器人可以運(yùn)輸直徑達(dá)30微米的貨物。此外，運(yùn)輸距離和運(yùn)輸量的比較表明，與單一機(jī)器人相比，集群的運(yùn)輸效率最高可達(dá)5倍。
通過證明分子機(jī)器可被設(shè)計(jì)成集群并協(xié)作高效地運(yùn)送貨物，這項(xiàng)研究為微型機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。研究人員表示：“在不久的將來，預(yù)計(jì)將看到微型機(jī)器人群被用于藥物輸送、污染物收集、分子發(fā)電設(shè)備和微型檢測(cè)設(shè)備。”
