Нанороботы научились собираться в стаи как птицы

Самый маленький в мире «роевой робот» имеет диаметр 25 нанометров и длину 5 микрометров и демонстрирует коллективное поведение, напоминающее стаи рыб, муравьев и птиц.

«Роевые роботы — одна из самых сложных тем в робототехнике, — говорит Акира Какуго из Университета Хоккайдо. — Эти системы демонстрируют удивительные свойства, недостижимые для одиночных особей: формирование сложных структур, разделение труда, устойчивость и гибкость, которые возникают из локальных взаимодействий без централизованного управления».

Вдохновившись этим, исследователи создали молекулярную систему, состоящую из трех ключевых компонентов робота: сенсоров, процессоров и исполнительных механизмов. В качестве актуатора они использовали клеточные белки — микротрубочки и кинезины, а в качестве процессора информации — ДНК.

Как работает система:

• Актуатор: Микротрубочки (белковые «рельсы») движутся по поверхности, покрытой кинезинами (моторными белками), используя энергию гидролиза АТФ.
• Программирование: К микротрубочкам, помеченным зеленым или красным флуоресцентным красителем, присоединили синтетические молекулы ДНК с определенными последовательностями.
• Управление: В систему ввели одноцепочечную линкерную ДНК (l-DNA), запрограммированную на запуск взаимодействий. После этого 5 миллионов микротрубочек начали собираться в крупные рои.
• Контроль: Добавление другой ДНК (d-DNA), запрограммированной на разрыв связей, приводило к распаду роев. Это показало, что процесс можно обратимо регулировать с помощью входных ДНК-сигналов.

Дополнительные возможности:

• Световое управление: Добавление к ДНК светочувствительного азобензола позволило переключать систему между одиночным и роевым состоянием с помощью облучения ультрафиолетовым или видимым светом.
• Характер движения: Рои микротрубочек могли двигаться поступательно или вращаться в зависимости от их жесткости.

«Это первое доказательство того, что коллективное поведение молекулярных роботов можно программировать с помощью ДНК-вычислений, — комментирует Какуго. — Система действует как базовый компьютер, выполняя простые логические операции (И, ИЛИ), что приводит к формированию различных структур и сложных движений. Ожидается, что такая система внесет вклад в разработку искусственных мышц, диагностику генов и создание наномашин в будущем».