可重构DNA纳米机器人实现能量存储、计算与货物递送

一种具备信号传递、运算及释放功能的电池驱动DNA机器人。

由慕尼黑大学、埃默里大学与佐治亚理工学院组成的联合研究团队，成功开发出一类基于可重构DNA折纸阵列的新型自主纳米机器人。这些纳米机器人以互联的双态DNA单元网络为基础，其阵列可被编程以响应环境信号。

研究作者指出，此类可重构阵列由柯永刚实验室于2017年首次提出。历经多年对阵列节点转化机制的研究，其作为功能性机器人系统的潜力不断拓展。

“我曾提出设想：通过染料淬灭对与单分子光谱技术观测阵列中单个节点的状态，从而解析其转化规律，”共同资深作者菲利普·蒂内菲尔德表示。

可编程多级纳米机器人

这项发表于《科学·机器人学》的研究，实现了直接利用DNA结构自身储能驱动的分子级可编程多步任务。近年来合作团队系统分析了DNA阵列的形态变化机制与控制方法，并于2024-2025年连续发表两篇关键论文，深入揭示了节点序列在纳米阵列转化中的作用机理。

突破性进展来自慕尼黑大学博士生菲奥娜·科尔与玛蒂娜·普法伊费尔。他们意识到柯永刚开发的折纸阵列可视为可编程硬件系统，每个节点都能作为独立单元运作。“菲奥娜和玛蒂娜发现了可重构阵列实现多级功能的独特潜力，”蒂内菲尔德强调。

研究团队提出将各节点改造为可搭载“锁定单元、延时单元、信号单元或货物释放单元”的组件，形成控制DNA硬件的“软件层”。这突破了传统DNA折纸系统仅能实现双态运行的局限。

纳米尺度的自主驱动突破

研究人员还演示了通过预载触发DNA链将能量以分子应变形式储存的技术。柯永刚形容该成果为“纳米尺度的‘电池驱动’机器”，并补充道：“这种阵列的独特之处在于能预存能量实现自主工作，类似通过蓄能发条驱动的玩具车。”

在包含数十个互联“反节点”的纳米阵列中，每个节点经改造后可执行特定任务。单元间的互联特性使得信号级联与结构变换成为可能。实验证实各节点能独立运作，按指令触发信号或释放微量货物。

“通过测试优化各功能单元并将其集成至纳米阵列，最终实现了这款可编程自主纳米机器人，”柯永刚表示。研究团队将该系统类比现场可编程门阵列（FPGA），可通过编程工具动态配置硬件功能。

医学诊断应用前景

尽管目前仍处于实验室阶段，该系统的特性使其具备医疗应用潜力。与多数仅能处理核酸的传统DNA纳米技术不同，它可与蛋白质、小分子乃至光信号广泛互动。基于变构分子过程的储能自主运行机制，进一步拓展了其应用边界。

研究团队计划针对不同环境优化纳米机器人，并探索新型供能方式。“我们正尝试通过布朗DNA计算解决纳米机器人供能难题，”蒂内菲尔德与柯永刚透露，未来版本可能采用光驱动方案，或将二维平面结构升级为全三维系统。

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