仿生科技前沿

沈英甲

“機(jī)器人”在辭書中的釋義是“把操作和作業(yè)作為目的，能自動運行的機(jī)械或裝置”，在廣義上，能夠自動進(jìn)行各種各樣操作的機(jī)械都可稱為機(jī)器人。本文介紹的所謂“分子機(jī)器人”，望文生義就是在分子尺寸上制造的機(jī)器人。大致說來，所謂分子尺寸的機(jī)器人，其長短大小僅相當(dāng)于1納米左右，而1納米是1米的十億分之一，也就是其尺寸是1毫米的千分之一的千分之一。原子的大小大約在0.1 納米左右，分子機(jī)器人當(dāng)然就是把數(shù)十個或者數(shù)百個原子組合起來制成的機(jī)器人。

如果能使用如此微小的分子尺寸的機(jī)械，隨意支配或者加工其他分子的話，那就是一件令科學(xué)家十分稱心的事了。比如科學(xué)家可以制造與病毒作斗爭的分子機(jī)器人，送入人體內(nèi)后，清除構(gòu)成病毒的分子，或者給予摘除或摧毀這樣的物理性打擊。

分子機(jī)器人的“發(fā)動機(jī)”

制造分子機(jī)器人的最初構(gòu)想要回溯到半個多世紀(jì)前的1950年。美國著名物理學(xué)家理查德·費曼（1918～1988年）第一次提出，未來制造微小機(jī)械讓其執(zhí)行各種各樣作業(yè)的設(shè)想將成為現(xiàn)實。盡管費曼并沒有提出分子機(jī)器人的具體概念，但是從那以后，制造分子機(jī)器人就成為人類夢寐以求的理想。不過科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程并非輕而易舉，把尺度只有1納米的研究對象組裝起來其難度可想而知，而且科學(xué)家組裝起來的還必須是“把操作和作業(yè)作為目的，能自動運行”的機(jī)械。

對于機(jī)械來說，要進(jìn)行作業(yè)動力的提供是必不可少的。比如汽車要行駛必須由發(fā)動機(jī)來驅(qū)動，在分子機(jī)器人這個范疇中，若干種相當(dāng)于發(fā)動機(jī)的裝置正在研制中。代表性的裝置可以試舉幾例。首先，有“偶氮苯”這樣一種分子，它是將兩個苯環(huán)用兩個氮原子連接而成的。所謂苯環(huán)就是碳原子連接成六角形構(gòu)成的環(huán)。有趣的是，偶氮苯對著光的時候其構(gòu)造會發(fā)生變化，當(dāng)對苯環(huán)照射紫外線的時候，苯環(huán)彼此之間的距離會縮短；當(dāng)照射可見光的時候，苯環(huán)彼此之間距離會伸長。還以汽車為例，讓偶氮苯構(gòu)造發(fā)生變化的光相當(dāng)于發(fā)動機(jī)燃燒的汽油，關(guān)鍵的是，如何讓收縮和伸長這兩個動作多次往復(fù)進(jìn)行。如果能方便地利用這一變形機(jī)理，靠光運行的機(jī)器人就呼之欲出了。還有一種雙環(huán)結(jié)構(gòu)也是分子機(jī)器人“發(fā)動機(jī)”一個有代表性的例子，有人把其稱為分子尺寸的智慧之環(huán)，似乎也恰如其分：其構(gòu)造相當(dāng)于兩個環(huán)像鎖鏈一樣套接在一起，在它們相交的部位嵌入金屬原子，一般是銅原子，這樣就可以把它作為“發(fā)動機(jī)”使用。每個環(huán)易與金屬原子結(jié)合的部分形成了精細(xì)構(gòu)造，于是這個精細(xì)構(gòu)造與金屬原子緊密結(jié)合，環(huán)于是被固定。在分子與原子的結(jié)合過程中電子起著重要的作用，易與金屬原子結(jié)合的環(huán)的精細(xì)構(gòu)造，預(yù)先通過調(diào)整電子數(shù)和位置來確定。

兩個環(huán)中，其中一個環(huán)設(shè)置有兩組精細(xì)結(jié)構(gòu)，另一個環(huán)有一個精細(xì)結(jié)構(gòu)，兩個環(huán)的精細(xì)結(jié)構(gòu)都與金屬原子相結(jié)合。在具有兩組精細(xì)結(jié)構(gòu)的環(huán)中處于不同位置的精細(xì)部分其中相容性好的一個與金屬原子結(jié)合。一旦向雙環(huán)結(jié)構(gòu)施加電壓或撤除電壓，金屬原子的電子數(shù)就會發(fā)生變化（發(fā)生氧化或還原反應(yīng)），這樣一來金屬原子與精細(xì)構(gòu)造部分結(jié)合的相容性也就會發(fā)生變化。結(jié)果，當(dāng)每次施加或者撤除電壓時，具有兩組精細(xì)結(jié)構(gòu)的環(huán)與金屬原子結(jié)合的位置就會發(fā)生變化，于是這個雙環(huán)結(jié)構(gòu)就會反復(fù)不停地運動起來。

偶氮苯是受到光線刺激而發(fā)生運動有代表性的分子。而雙環(huán)結(jié)構(gòu)運動不僅靠光線而且還利用氧化還原反應(yīng)，因此具有重要意義。其他我們所知道的還有利用某種有機(jī)酸的“環(huán)棒結(jié)構(gòu)”，這種構(gòu)造形象理解就是將一根棒狀物穿入環(huán)中。利用氧化還原反應(yīng)，使環(huán)沿著棒上設(shè)置的兩處精細(xì)結(jié)構(gòu)之間往來運動，這樣就能或開或關(guān)像開關(guān)一樣使用。目前在世界各國，比上述構(gòu)想水平更高的“發(fā)動機(jī)”，甚至是完全獨出心裁的分子機(jī)器人“發(fā)動機(jī)”都在研究中。

在一部機(jī)械中，用于傳遞動力的部件是必不可少的，如果不能把發(fā)動機(jī)的動力傳遞給輪胎，汽車便無法行進(jìn)。目前科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多可以用作分子機(jī)器人類似部件的分子，其中有與分子突出部位相嚙合的類似齒輪的“部件” ，有以軸為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動的“部件”，不一而足。

扭轉(zhuǎn)分子的“分子鉗”

分子機(jī)器人的“發(fā)動機(jī)”和部件的零星開發(fā)，正如目前我們已經(jīng)知道的，那么使用這些“發(fā)動機(jī)”和部件組裝的分子機(jī)器人，其發(fā)展到了何種程度呢？

最早被稱為“分子機(jī)器人”的東西出現(xiàn)是在1980年，利用如前面所介紹的使用靠光來驅(qū)動的苯環(huán)，科學(xué)家研制了類似手術(shù)鉗那樣可夾可放的裝置。由此可見，首次將對光這種刺激能做出反應(yīng)的分子與具有手術(shù)鉗夾放的功能結(jié)合起來，從費曼提出分子機(jī)器人的設(shè)想到變成現(xiàn)實，用了相當(dāng)長的時間。目前，一些年輕的日本科學(xué)家研制成功了更為先進(jìn)的分子機(jī)器人，這就是能夠夾持分子，進(jìn)而扭轉(zhuǎn)使分子變形的“分子鉗”。

分子鉗的構(gòu)造是這樣的，“發(fā)動機(jī)”采用目前我們熟知的偶氮苯，以分子鉗為例，偶氮苯相當(dāng)于鉗子的握把。把偶氮苯的動作傳遞給分子鉗的前端起支點作用的“部件”是二茂鐵，偶氮苯是五個碳原子連接而成的五角形環(huán)，將二茂鐵夾在兩個偶氮苯分子之間，形狀就像三明治。我們知道，在機(jī)械中有一種使旋轉(zhuǎn)運動平滑進(jìn)行的部件，那就是軸承。與此相近，科學(xué)家在分子鉗的前端采用了一種稱為“鋅卟啉”的部件，它具有易與堿性物質(zhì)分子（與酸發(fā)生中和反應(yīng)的物質(zhì)）相結(jié)合的性質(zhì)。

一旦使分子鉗與堿性物質(zhì)分子混合，分子鉗的前端就會與堿性物質(zhì)分子相結(jié)合（這里使用的是某種喹啉分子），這就相當(dāng)于分子鉗夾緊分子的狀態(tài)。此時一旦照射紫外線，充當(dāng)動力的苯環(huán)就會收縮，這個動作通過充當(dāng)支點的二茂鐵傳遞給分子鉗前端的鋅卟啉，分子鉗的前端就會開啟。進(jìn)而當(dāng)面對可見光時苯環(huán)伸長，于是分子鉗前端閉合。分子鉗做出這個動作后，與分子鉗前端結(jié)合的某種喹啉分子的形態(tài)就會因分子鉗前端的動作被迫扭轉(zhuǎn)，由此實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。

分子鉗的開發(fā)具有重要意義，使用分子機(jī)器人對目標(biāo)分子進(jìn)行某些實際操作，這在世界上還是第一次，可以說對于今后分子機(jī)器人的開發(fā)邁出了關(guān)鍵性的一大步。

自然界的天然分子機(jī)器人

不過，本文中談及的分子機(jī)器人說實話并非稀罕之物。一會兒說是最新科技一會兒說并不稀罕，這到底怎么回事呢？正確地說，“分子機(jī)器人在自然界并不罕見”。比如就拿我們?nèi)祟惖纳眢w來說，由于分子生物學(xué)的進(jìn)展，我們發(fā)現(xiàn)人體是微小的精密機(jī)械的組合體。DNA（脫氧核糖核酸）上記錄了遺傳信息的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成。肌肉的張弛、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸?shù)?，在人類所有生命活動中，如果能夠從分子水平上觀察，就可以看到正在運行的無數(shù)微小精密機(jī)械。

自然界中的分子機(jī)器人令人吃驚之處在于，它們是完全自動組裝而成的，只要材料和環(huán)境條件具備，就能輕而易舉地自動組裝成分子機(jī)器人。目前人類掌握的技術(shù)已經(jīng)能夠在物質(zhì)的表面一個一個地移動原子，但是要利用這種技術(shù)制造分子機(jī)器人能力還有所不及。地球生物歷經(jīng)數(shù)十億年，進(jìn)化成了即使是人類掌握的現(xiàn)代科學(xué)最尖端的技術(shù)也難以企及的系統(tǒng)。

制造分子機(jī)器人如同做飯

要人工制造分子機(jī)器人，其捷徑仍然是模仿生物體中的分子機(jī)器人，由于分子機(jī)器人種類各各不同，材料姑且不論，由于溫度、壓力、酸堿度等條件復(fù)雜地?fù)诫s其間，制造人工分子機(jī)器人，研制過程中難免會誤入歧途錯誤百出，這也在情理之中。

為了制造分子機(jī)器人，首先做出設(shè)計是必要的。比如分子鉗等，如果把作為“發(fā)動機(jī)”的偶氮苯，起到軸承作用的二茂鐵，以及作為分子鉗前端的鋅卟啉組裝起來，能否組成分子鉗要做出大致的設(shè)計。設(shè)計結(jié)束后轉(zhuǎn)入組裝，將材料置入溶液中，加溫的同時加入催化劑，要組裝出像設(shè)計圖上那樣的分子機(jī)器人，一蹴而就不行要做足功課。有意思的是，有的科學(xué)家把這個過程比喻為下廚房。

不妨以制作漢堡包的情況為例，即便是同一種漢堡包，由于制作者本身口味好惡異同，做出來的東西自然會大相徑庭千差萬別。材料比例如何，掌握的火候如何，或者為了提味，有人可能還會加點醬油。以此來說明制造分子機(jī)器人的過程比較貼切，材料的比例和加工的火候，沒有人能說得清楚。至于佐料，在制造分子機(jī)器人的時候就相當(dāng)于添加催化劑吧。用了各種各樣的方法，日本科學(xué)家成功制造出分子鉗最終用了一年左右的時間。

分子機(jī)器人的應(yīng)用

目前分子機(jī)器人的種類是有限的，不過我們可以考慮將來如何利用它們，從分子機(jī)器人能夠從生物體內(nèi)自動生成來設(shè)想，其最初的應(yīng)用似乎應(yīng)是以醫(yī)療等領(lǐng)域為中心。比如本文開頭介紹的針對病毒的分子機(jī)器人，也許可以通過研發(fā)分子鉗予以實現(xiàn)。加工分子鉗前端的部件，使它只能與特定的病毒相結(jié)合，如何將這種設(shè)想變成現(xiàn)實的確是個難題，但絕不是夢想，有可能使用某種能夠透過人體的近紅外光使分子鉗動作，而且有希望利用藥物投放系統(tǒng)，向癌腫部位集中送達(dá)藥劑等。在分子鉗那樣的分子機(jī)器人上攜帶藥劑，使它們在患病部位周圍投放藥劑。

除了分子鉗，其他種類分子機(jī)器人的研制也在進(jìn)行中，一旦有了成果，那么物質(zhì)能夠出入的人工細(xì)胞膜，以及能伸縮自如的人工肌肉就可以變成現(xiàn)實。不僅醫(yī)療領(lǐng)域，我們也可以期待分子機(jī)器人在工程方面的應(yīng)用，比如可以讓前面提到的某種有機(jī)酸作計算尺上的滑標(biāo)那樣的顯示“開”或“關(guān)”狀態(tài)的往復(fù)運動，把這種分子機(jī)器人作為電子計算機(jī)的記憶元件加以利用的嘗試也有人在進(jìn)行。如能成功的話，就能夠?qū)崿F(xiàn)電子計算機(jī)的高性能化和小型化。最終，讓分子和原子的排列像我們希望那樣變化的分子機(jī)器人也有可能問世。再發(fā)揮一些想象，使用分子機(jī)器人將空氣、水和土壤中的分子和原子重新排列，制造出糧食未必不會變成現(xiàn)實。聽起來十分遙遠(yuǎn)，不過當(dāng)前可以利用分子機(jī)器人培育作物，為人類提供糧食。

正如現(xiàn)在所知道的，分子機(jī)器人極有可能實現(xiàn)，但是眼前對于如何制造分子機(jī)器人科學(xué)家還知之甚少。事實上，許多領(lǐng)域還是尚待研究的空白，比如如果對生物體內(nèi)自動生成的分子機(jī)器人的研究更進(jìn)一步，也許會對人工制造分子機(jī)器人提供更多的研究線索。有人戲稱，制造分子機(jī)器人的過程很像炒菜做飯，不過隨著對分子機(jī)器人研究的深入，科學(xué)家期待著能夠掌握制造分子機(jī)器人的最終訣竅。