成群协作的分子机器人北海道 大学一群分子机器人运输货物的示意图（上）和运输蓝色球状货物的分子机器人的荧光图像（下）。比例尺为 20 微米。通过指定光照射的位置，可以将货物集中在指定的目的地（右）。比例尺为 50 微米。学分：Mousumi Akter 等人在全球首创中，科学家们已经证明，分子机器人能够通过采用集群策略完成货物交付，实现的运输效率是单个机器人的五倍。群体机器人技术是一门新学科，其灵感来自生物体的合作行为，专注于机器人的制造及其在群体中的应用以完成复杂的任务。群体是多个个体的有序集体行为。宏观规模的群体机器人已经被开发并用于各种应用，例如运输和堆积货物、形成形状和建造复杂的结构。

由北海道大学理学院的 Mousumi Akter 博士和 Akira Kakugo 副教授领导的一组研究人员成功地开发了世界上第一台利用蜂群优势的微型机器。研究结果发表在《科学机器人》杂志上。该团队包括九州大学助理教授 Daisuke Inoue；哥伦比亚大学亨利赫斯教授；名古屋大学浅沼弘之教授；和关西大学的 Akinori Kuzuya 教授。

一群协作的机器人获得了许多单个机器人所没有的特性——它们可以划分工作量、应对风险，甚至可以创建复杂的结构来应对环境的变化。微型和纳米级的微型机器人和机器由于它们的尺寸而几乎没有实际应用；如果它们能够成群结队地合作，它们的潜在用途将大大增加。玩00:0000:03沉默的设置画中画进入全屏玩单（上）和群（下）运输车不同直径的货物装载和运输。比例尺：20 µm。每部电影的左上角都提到了货物的直径 (d)。在这里，集群可以装载和运输直径达 20.0 µm 的货物，而单个运输车无法装载和运输直径大于 3.4 µm 的货物。这部电影的播放速度是原版的 100 倍（Mousumi Akter 等人，Science Robotics。2022 年 4 月 20 日）。图片来源：Mousumi Akter 等人。科学机器人。2022 年 4 月 20 日该团队构建了大约 500 万台单分子机器。这些机器由两种生物成分组成：与 DNA 相连的微管，使它们能够成群结队；和驱动蛋白，它们是能够运输微管的致动器。DNA 与一种称为偶氮苯的光敏化合物结合在一起，该化合物起传感器的作用，可以控制蜂群。当暴露在可见光下时，偶氮苯结构的变化导致 DNA 形成双链并导致微管形成群。暴露在紫外线下逆转了这个过程。玩00:0000:25沉默的设置画中画进入全屏玩集群运输者通过长距离装载和运输货物的协同任务完成。比例尺：20 µm。在这里，群装货物在可见光照射下总共行驶了 1 毫米而没有掉落。这部电影的播放速度是原版的 100 倍（Mousumi Akter 等人，Science Robotics。2022 年 4 月 20 日）。图片来源：Mousumi Akter 等人。科学机器人。2022 年 4 月 20 日实验中使用的货物由直径从微米到几十微米的聚苯乙烯珠组成。这些珠子用偶氮苯连接的 DNA 处理；因此，货物在暴露于可见光时被装载，而在暴露于紫外线时被卸载。然而，分子机器和货物中使用的 DNA 和偶氮苯是不同的，因此可以独立于货物装载来控制集群。玩00:0000:05沉默的设置画中画进入全屏玩在紫外线照射下从运输车组卸货。比例尺：20 µm。在这里，观察到群运输器解离成单个微管和从运输器卸载货物同时发生。卸载的货物保持静止，不再在紫外线照射下运输。电影的播放速度是原版的 100 倍。图片来源：Mousumi Akter 等人。科学机器人。2022 年 4 月 20 日单台机器能够装载和运输直径达 3 微米的聚苯乙烯珠粒，而成群的机器可以运输直径达 30 微米的货物。此外，运输距离和运输量的比较表明，与单机相比，集群的运输效率高达五倍。通过证明分子机器可以设计成集群和协作以高效运输货物，本研究为微型机器人在各个领域的应用奠定了基础。“在不久的将来，我们预计会看到微型机器人群用于药物输送、污染物收集、分子发电设备和微检测设备，”Akira Kakugo 说。