解密DNA机器人：巨大的一小步
加州理工学院DNA机器人抓取分子球概念图
DNA机器人工作平台概念图
由于纳米技术的快速发展，加州理工学院“金钱实验室”中的DNA机器人的速度很慢。每走一步需要5分钟，步长为6纳米，几乎是人类的1/600万步。
它只有20纳米长，大约是一粒米的千分之一。它看起来像一条线虫，有着细长的身体，没有脸，还有蛇。它的活动区域是一个隐藏在试管中的DNA化合物平板——因为它太小而不能注射。
两种颜色的分子球分布在板上。“线虫”游来游去，捡起球，把它送到指定的位置。这两种颜色分开放置。
它是世界上第一个能同时行走、抓取、放下和分类的DNA机器人。今年9月，《科学》杂志就此发表了一篇论文。
"这对DNA机器人来说是重要的一步."杜克大学工程学教授约翰·里夫说。21世纪初，他开始关注DNA合成研究的发展。
对更多的人来说，这一旅程仍处于肉眼看不见的维度。
建筑是DNA的固有能力
DNA机器人不同于大众媒体中出现的机器人。后者由施瓦辛格笔下的硬汉“终结者”或长着大眼睛拖着跑道的瓦力来代表。据钱实验室经理、加州理工学院助理教授钱露露说，这个在实验室里的小家伙，如果不与其他同伴纠缠，就像一根“柔软的橡皮筋”。
不像那些金属家伙，它的血肉是由核苷酸组成的。后者也是脱氧核糖核酸的组成部分。这也是它名字的由来。
20世纪80年代，一位名叫纳德里安·西曼的纽约晶体学家逐渐意识到，著名的DNA不仅是生命的秘密，也是一种优秀的建筑材料。
当时留着大胡子的西曼是一位年轻的教授，他喜欢在课堂上开玩笑。他在实验室的工作不是很愉快——为了获得理想的分子结果，晶体是在不断变化的条件下通过不断的实验沉淀出来的，但总是不令人满意。
他突然打开了一个大脑洞:核酸能结合自己的结果吗？
毕竟，这是大自然几千年来一直在做的事情。建筑是DNA的固有能力。
众所周知，DNA是双螺旋缠绕在一起的。具有互补序列的核苷酸，即A和T、C和G相遇，肯定会相互匹配，伸出小触角紧紧抓住对方，并建立起一个螺旋向上的阶梯。
从这个角度来看，纳米生物学实验突然变成了母亲织毛衣。只要互补的DNA序列放在一起，它们就会自然产生结果。不需要粘合剂、楔子和钉枪，所有的工作都由化学来完成。线端相互缠绕，羊毛延伸的方向不断变化。你可以用手、手和花互相缠绕。
用来织毛衣的“羊毛”是从脱氧核糖核酸中分离出来的，而刀子是限制性酶。被切断的长DNA链不像羊毛那么光滑，但有一个大大小小的蜈蚣足状尖端。那些异常突出的尖端被称为粘性尖端，顾名思义，它在未来的编织中可以起到粘合的作用。它们是毛衣的线头。
1982年，通过编织毛衣的人工合成，西曼获得了一对用脱氧核糖核酸编织的井字花。事实上，在过去的30年里，这一领域的成就地图就像一本大型羊毛手册。
西曼和他的后继者不断地使用新的密码，改变切割的长度，改变缠绕的方式来产生各种各样的DNA分子结构结果。有连续的二维图案，如罗马瓷砖、三维绣球花，甚至分子平面上的笑脸。脱氧核糖核酸的“羊毛”是经过精心安排和组合的，就像奥运会开幕式上的集体体操表演一样。
脱氧核糖核酸合成材料不仅能形成静态模式，还能创造出能自主行动的机器人。人类可以通过编码来设计复合材料的运动。
这也需要自然的帮助。DNA是编码的天然物质。它可以存储大量的信息，所以它可以被设计来执行活动。编码的基础是简单明了的序列。此外，许多信号可以转换成自然信号。
钱露露的机器人有两只“脚”，一只“胳膊”和一只“手”。它在一个特殊的分子表面上移动，这个表面由短的DNA复合物组成，就像一个钉板。要分类的小球散落在钉子上。
DNA片段被放在机器人的脚和指甲上。序列是互补的，片段互相吸引，脚被钉在钉子上。长机器人牢牢地爬上钉子，就像一条蛇缠绕在短桩上。
根据编码，两只脚不能同时踩在钉子上。当机器人移动时，它只需要用空闲的脚爬上它想够到的钉子，原来钉子上的脚就会自动松开。它在指甲板上游泳，就像一个弹簧在深草间移动。
机器人对小球的分类也依赖于序列的帮助。这个球上有两块脱氧核糖核酸。有一块吸引了机器人*摇动的手掌，所以它可以被捡起来。吸引目的地的钉子，这样可以降低。两种不同颜色的货物被送到不同的目的地，所以匹配的标记是不同的。
工作时，机器人被设计成遵循最简单的行为规则:四处游荡并跟踪情况。你的扫地机器人在房子周围移动，当它遇到灰尘时会吃掉它，DNA机器人也是如此。当你的手空着的时候，当你遇到他们的时候，把他们捡起来。拿着货物时，要在到达目的地时放下钉子。
"这种漫游不会消耗任何能量。"钱噜噜说。
“多漂亮的工作啊。”一位化学家在他的视频网站频道上评论道:“当谈到机器人时，人们总是想到机械控制和计算机，而他们看到了其他方向和自然的一面。”
DNA机器人移动“珠子”，准确率接近100%
“它们可以到达人类无法到达的地方。机电机器人被送到火星上，它们可以被送到血液循环中去精确地输送药物。”钱露露告诉媒体。
钱露露的“弹力绳”并不缺少同类。在过去的10年里，科学家们使用合成的脱氧核糖核酸来制造具有不同功能的分子机器人。
一个看起来像带盖子的小水桶的人可能是对抗癌症的最新武器。2012年9月，韦斯生物激励工程研究所在《科学》杂志上发表了一篇论文，介绍了一种新型的DNA机器人。
桶内装有药物，桶外壁装有锁——双螺旋紧密缠绕，使桶的两部分紧密闭合，保证药物不会溢出。
开锁的钥匙是一种特殊的蛋白质。一旦蛋白质被锁中的一小段DNA识别，它就会依次附着在上面，从而松开锁体的螺丝，打开整个桶。
研究人员希望它能在人体的海洋中漫步，安全地绕过健康组织，穿过鲜红的血液洪流，只有当它面对黑暗的病理细胞时才会受到刺激，吐出藏在胸腔深处的炮火。
这种精确而有效的攻击使它更像是人体内的战斗机，不同于传统癌症化疗的无差别攻击。
目前，这些DNA机器人只能在试管中移动，远远不能进入人体治疗疾病。澳大利亚莫纳什大学的纳米生物学专家陈曾在接受媒体采访时称赞钱的团队的工作，但他也表示，如果机器人贸然进入人体，人工合成的DNA携带的遗传密码很可能会干扰人体原有的遗传信息。
科学家们正在关注如何让这些小家伙走得更快。
今年春天，中国科学院上海应用物理研究所和华东师范大学的一个团队在《应用化学》上发表了一篇论文，介绍了他们制造的一种新机器人，这种机器人可以通过核酸外切酶更有效地行走。
钱露露的团队采用了团队作战的战术。一个机器人要花一整天才能把12颗“珠子”分成两种颜色。然后，他们在“建筑工地”增加了更多的机器人助手。通过采用不同的路线，DNA机器人的效率得到了极大的提高。日常工作缩短到几个小时，准确率保持在100%左右。
这也是DNA机器人研究中一直以来的一个思路:无论个体力量有多小，团结起来也是极其强大的。
未来，钱露露希望模仿蚂蚁集体完成任务，这样机器人就能留下能被同伴识别的信号，从而提高不准确漫游的效率。
"未来(脱氧核糖核酸机器人)的许多可能应用仍然属于科幻小说的范畴."钱噜噜说。
生活也是一个程序，自然是程序员写的。
"尽管DNA机器人仍然缓慢而简单，但它已经显示出了许多优于微电子机器人的优势."杜克大学的约翰·里夫说。
他经历了DNA研究的分歧。在上世纪末，DNA和数据之间天然的密切关系使许多科学家相信DNA计算机是可以建造的。然而，经过不断的实验，他们中的一些人感到越来越深的懊恼:他们的成就远远落后于现有的和仍在迅速发展的微电子计算机。
他们建议应该允许DNA做它最擅长的事情，在有机组织或其他类似的环境中进行数据处理。微电子计算机不能去那里。
钱露露的年轻团队是这一趋势的最新继承者。他们中的一些人是化学家，他们沉迷于“自然界不存在，但像自然创造一样复杂”的成分，还有一些人是获得了医学博士学位的程序员。这个实验室的共同兴趣是:编码。
在制造机器人的过程中，他们总是提醒自己:更简单，更简单。机器人的算法尽可能简单，工作的逻辑遵循一个简短的“是”或“否”的过程。甚至形式是一条简单的线，没有无数的编织形状。
这是因为:“它越简单，就越有可能被用作添加各种新功能的基础。”他们的目标不是完善一个特定的任务，而是开发尽可能多的综合用途。
"我和我的实验室对制造这些原子机器人的工程原理感兴趣."钱噜噜说。
程序员和工程师利用工程原理创造了一个完整的微电子世界，从小型转换器到我们熟悉的各种机器人。类似地，分子生物学的世界可以从简单到不断变化。
在钱露露眼里，生活也是一个程序。大自然是写它的程序员，分子是承载它的平台。不同的程序序列会产生昆虫、细菌或小猫。
然而，我们对这个生命程序的应用仍然非常有限。“每天有超过1000款苹果手机应用诞生，但分子‘应用’的数量远远少于此。”
"人类能有机会使用整个分子生物系统的编程空间吗？"钱露露在2016年的一次演讲中问自己。
她在加州理工学院的个人主页上写道:“自然包含了我们所寻找的所有美丽和真理，但是我们所寻找的旅程仍然需要被我们心中的火焰点燃。”