纳米尺度下的机器人自组装技术文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

纳米机器人是机器人工程学中在纳米尺度的新兴分支，涉及分子仿生学和电子控制技术。纳米机器人是运用分子层次生物学原理设计研发的可编程的“功能性分子器件”，在纳米空间上实现进行有目的性操作，解决了传统机械机器人在微观下功能不足的问题。纳米机器人具有微型、智能、价廉、敏感的特点 ，决定了其组成部件必须具备一定的特异性，而生物分子部件具有无机材料部件无法比拟的优越性能：在自然界中大量存在，原料充足成本低；可自复制， 易于实现生产自动化和高效性；部件之间的连接装配可通过控制生化反应实现，易于实现通讯；无磨损，具有自然平衡机理(自优化和自适应)，可自我修复，维护需求低，可靠性高。因此生物分子部件成为了构建纳米机器人的首选，此类纳米机器人被称为纳米生物机器人。纳米机器人可以在纳米计算机操纵下对原子逐个操作，修正DNA错误，维护细胞成分，

亦或者疏通脑血管中血栓，清除心脏动脉中脂肪沉积物，吞噬病菌，杀死癌细胞；或者用红细胞包裹磁性纳米粒子在磁场控制下，完成药物靶向递送。

当前生物纳米机器人研究工作已经发展到第二代生物纳米机器人，即由原子或分子装配的具有特定功能的分子器件(直接用原子、DNA片断或者蛋白质分子装配成生物纳米机器人)，而不是第一代生物纳米机器人，生物与机械的简单结合系统(用碳纳米管作结构件，分子马达作为动力组件，DNA关节作为连接件等)。未来第三代设想向包含纳米计算机在内的进行人机对话的操控性纳米机器人发展。

回首过去的纳米机器人发展历程。2000年4月，IBM公司Zurich实验室与瑞士Basel大学研究发现，DNA能够用来弯曲直径不及头发 五十分之一的硅原子“悬臂”，由此开始研究利用 DNA的结构特性为纳米机器人提供动力的新方法；Lucent贝尔实验室的Yurke在2000年发明了著名的分子级机器——DNA“镊子”，双臂由DNA链 A、B组成，通过加入附加链可以使镊子开合；纽约大学Seeman小组通过向溶液中加入氯化物，引起连接两个交叉分子的连接域从左旋的B—DNA向右旋的 Z-DNA转变，结构状态变化产生2—6nm的原子位移，从而得到了DNA旋转马达；2004年5月该小 组又研究出了世界上首个双足纳米生物机器人：双腿由36个DNA碱基对构成，通过DNA上的锚定链和DNA轨道结合；非固定链DNA片断使得锚定链从轨道上脱落下来，使机器人的双脚沿着轨道向前寻找下一个结合锚定链，重复该过程就可以让机器人沿预定轨道行走。除此之外，德国IMB Unger小组开发微管蛋白系统作为生物线性马达驱动器。

在纳米生物机器人研究中，主要根据生物分子的特性，建立相应的数学模型，结合计算进行相关理论和算法的研究.用纳米组件构建纳米机器主要有两种方法，第一种方法基于自装配，它是传统化学和批量处理的进化，自装配产生的结构倾向于高度对称而有一定的局限性，同时大多数自装配的系统是有机的而缺少一定的鲁棒性；另一个方法直接利用力、电磁场等对纳米级物体进行精确定位装配，主要集中在扫描探针显微镜SPM技术上．尽管自装配有一定的不足，但是由于其相对于后者有极高装配效率，因而成为主流，同时自复制、自组织是在自然界普遍存在的现象，在未来的纳米机器和系统中更为重要。

基于以上种种研究奠定基础，拓宽了现代纳米机器人研究思路。Delft科技大学Dekker分子物理小组用派生纳米管和带低核苷酸的富勒烯作为纳米装置的部件，用DNA为设备原型编码装配指令进行装配，通过将缩氨核酸PNA复合物涂到单墙纳米管，使得亲水的DNA连接到斥水的单墙纳米管上；Munich大学Simmel生物分子纳米研究组从事平板印刷定义的杂交系统、自装配纳米结构及 纳米电子设备的合理装配的研究圆；Northwestern大学Mirkin小组用DNA互补识别装配特性来指导纳米颗粒的装配，用四探针方法作为温度、寡核苷酸长度、湿度的函数，测量这些纳米颗粕L／DNA杂交材料， 无论寡核苷酸互连的长度如何，纳米颗粒组件的装配保持了浓缩状态下的离散特性和作为导体的组装特性；德国Darmstadt科技大学的Cavalcanti运用进化竞争代理和遗传算法，结合先进图形仿真技术进行纳米机器人的装配自动化研究。

DNA纳米技术在近20年来得到了迅猛的发展。构造自组装DNA纳米结构有两种主要方法，包括 Seeman课题组发展的瓦块自组装技术和Paul Rothemund博士发明的DNA折纸术。

1998，Seeman课题组发展了瓦块自组装，使我们可以在原子力显微镜下看到了DNA构造的二维网格结构。

经过多年发展，利用瓦块自组装技术可以构造出丰富多彩的纳米结构，包括一维线性排列 -二维平面网格、可寻址阵列、纳米纤维、三维多面体乃至三维晶体等。

但是，这种类型的结构也存在一些不足。例如，它们的组装依赖多条DNA链间的精确互补配对，对各链的化学计量比和热力学性质要求较严格 ，组装过程相对繁琐费时；而且由于受到瓦块单元的限制，它们的最终结构的复杂程度也是很有限的。

2006年，加州理工学院的Paul Rothemund博士发明了 DNA折纸术，这一里程碑式的技术使制作复杂DNA组装结构的能力得到极大提升。DNA折纸术本质上是一种成核自组装，这不同于瓦块自组装的层次自组装。其整个组装过程是围绕若干成核点 (或称成核链 )一次进行而不分步的。生成图形的复杂度较瓦块自组装至少提高了一个数量级，而且其编码便捷 、实验简单、反应快速。他在这篇里程碑论文中展示的图形均为对称结构。随后，上海交通大学和中国科学院上海应用物理研究所的研究人员用 DNA折纸术构造了第一个非对称结构 ，即中国地图模拟图。

2012年，哈佛大学的殷鹏与Shih教授的研究组发表了一种类似于瓦块组装技术的 DNA “积木”组装技术。这种技术以DNA单链为“积木”，每个积木上不同区域的序列可以与另外的 “积木”上的对应序列互补杂交。并且，由于DNA螺旋转角的确定性，这样的单链积木在组装之后 的构型也是确定的。这一方法不再需要多链组装的结构单元，每一条DNA单链即是一个结构单元，最终结构可由一步退火完成；同时，这种结构也是一种“去中心化”的结构，不再受到DNA折纸术中骨架链的长度和序列限制，在结构设计上更为自由。

迄今为止，DNA机器人的发展仅限于简单的功能。大多数DNA机器人的设计都是为了执行一个单一的功能，分子机器人的设计和合成面临着两个关键挑战，即模块化和算法简单。DNA机器人的简单构建块可以实现更复杂的纳米机械任务，而模块化可以允许使用相同构建块集的机器人执行不同的新功能。随着开发模块化和集体化分子机器人的更多努力，以及简单和系统化的方法，分子机器人最终可以像宏观机器人一样容易编程，但可以在微观环境中工作。

纳米孔分析技术是从20世纪90年代中期开始发展起来的单分子分析手段。 1996年,研究人员首次利用alpha;-溶血素天然生物通道蛋白获得寡核苷酸的阻断电流信号开启了纳米孔研究的热潮。 该技术凭借其快速、低成本、无需荧光标记等优势,除了在化学和生物等研究领域广泛应用，还在DNA测序，单分子传感分析领域取得了令人瞩目的成绩。根据分子穿过纳米孔时产生的特征性阻断电流信号,可实时获取待测物的结构、组成、尺寸、电荷、构象以及与其它分子相互作用的动力学信息。纳米孔分析技术可以测取dna表征参数，从而更好进行纳米机器人的设计与构造。引入单独的DNA操作机制，DNA通过磁珠机械地通过纳米孔拉动，由磁场梯度驱动。该技术与同时离子电流测量兼容，适用于多个纳米孔，为大规模应用铺平了道路。通过将我们的结果与标准DNA易位的结果进行比较，我们发现了反转DNA易位的平均速度（在这里使用磁性镊子）慢了2000多倍，大大提高了测序的成功性。对于我们的实验，大大增加实验成功性，有利于实验的顺利进行。

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