我們周?chē)S處可見(jiàn)形形色色的工具和機(jī)械，從鉗子這樣的小東西到傳送帶、吊車(chē)這樣的龐然大物?？茖W(xué)家正試圖把對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)如此重要的機(jī)械在分子尺寸上組裝起來(lái)，制造一種極其微小的裝置，這種裝置被稱為“分子機(jī)器人”或“分子機(jī)器”，這種裝置還能用來(lái)操控別的分子。

分子機(jī)器人有多大?

“機(jī)囂人”被定義為“把操作和作業(yè)作為目的，能自動(dòng)運(yùn)行的機(jī)械或裝置”，如此說(shuō)來(lái)并不限于所謂“人形機(jī)器人”。而“分子機(jī)器人”就是在分子尺寸上制造的機(jī)器人，其長(zhǎng)短大小僅相當(dāng)于1納米左右(1納米是1米的10億分之一)。原子的大小大約在0.1納米左右，分子機(jī)器人其實(shí)就是把數(shù)十個(gè)或者數(shù)百個(gè)原子組合起來(lái)制成的機(jī)器人。

如果能令如此微小的分子機(jī)器人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)家可憑此制造出與病毒作斗爭(zhēng)的分子機(jī)器人，把這種分子機(jī)器人送入人體內(nèi)，它們就能自動(dòng)清除構(gòu)成病毒的分子；或者讓它們?nèi)?zhí)行摧毀癌細(xì)胞的任務(wù)等等。

制造分子機(jī)器人的最初構(gòu)想要回溯到半個(gè)多世紀(jì)前的1950年。美國(guó)著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼第一次提出，未來(lái)制造微小機(jī)械讓其執(zhí)行各種各樣作業(yè)將成為可能。盡管費(fèi)曼并沒(méi)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(lèi)夢(mèng)寐以求的向往。不過(guò)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程并非輕而易舉，單單操作納米尺度上的原子、分子就極其困難，況且科學(xué)家組裝起來(lái)的還必須是“把操作和作業(yè)作為目的，能自動(dòng)運(yùn)行”的機(jī)械。

分子機(jī)器人的“發(fā)動(dòng)機(jī)”

對(duì)一般機(jī)械，如汽車(chē)來(lái)說(shuō)，動(dòng)力是必不可少的。對(duì)分子機(jī)器人來(lái)說(shuō)也是如此，若干種相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)的裝置正在研制中。比如偶氮苯分子，這種分子是將兩個(gè)苯環(huán)用兩個(gè)氮原子連接而成的。有趣的是，在不同的光照下，偶氮苯的構(gòu)造會(huì)發(fā)生變化：當(dāng)照射紫外線的時(shí)候，苯環(huán)之間彼此距離會(huì)縮短；當(dāng)照射可見(jiàn)光的時(shí)候，苯環(huán)彼此之間距離會(huì)伸長(zhǎng)。如果能讓收縮和伸長(zhǎng)這兩個(gè)動(dòng)作多次往復(fù)進(jìn)行，那么，靠光照運(yùn)行的機(jī)器人就呼之欲出了。

還有一種雙環(huán)結(jié)構(gòu)也可以充當(dāng)分子機(jī)器人的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，有人把其稱為分子尺寸的“智慧之環(huán)”，其構(gòu)造相當(dāng)于兩個(gè)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(dòng)機(jī)”使用。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(huì)發(fā)生變化(因?yàn)榘l(fā)生了氧化或還原反應(yīng))，雙環(huán)與金屬原子結(jié)合的位置也會(huì)隨之發(fā)生變化，于是這個(gè)雙環(huán)結(jié)構(gòu)就會(huì)往復(fù)不停地運(yùn)動(dòng)起來(lái)。

此外，在一部機(jī)械中，用于傳遞動(dòng)力的部件是必不可少的，如果不能把發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給輪胎，汽車(chē)便無(wú)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(lèi)似部件的分子，其中有與分子突出部位相嚙合的類(lèi)似齒輪的“部件”，有以軸為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的“部件”，不一而足。

扭轉(zhuǎn)分子的“分子鉗”

目前，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)遣是這樣的，“發(fā)動(dòng)機(jī)”采用前面提到過(guò)的偶氮苯，在分子鉗中，偶氮苯所提供的“動(dòng)力”相當(dāng)于對(duì)鉗子的握把。把偶氮苯的動(dòng)作傳遞給分子鉗的前端起支點(diǎn)作用的“部件”是二茂鐵。我們知道，在機(jī)械中有一種使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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)分子相結(jié)合(即發(fā)生中和反應(yīng))的性質(zhì)。一旦分子鉗與堿性物質(zhì)分子接觸，分子鉗的前端就會(huì)與堿性物質(zhì)分子相結(jié)合，于是分子鉗便“夾緊”了分子。此時(shí)一旦照射紫外線，導(dǎo)致苯環(huán)收縮，這個(gè)動(dòng)作通過(guò)充當(dāng)支點(diǎn)的二茂鐵傳遞給分子鉗前端的鋅卟啉，分子鉗的前端就會(huì)開(kāi)啟；當(dāng)照射可見(jiàn)光時(shí)，導(dǎo)致苯環(huán)伸長(zhǎng)，于是分子鉗前端閉合。與分子鉗前端結(jié)合的堿性物質(zhì)分子的形態(tài)就會(huì)因這一伸一縮，一緊一松而被迫扭轉(zhuǎn)變形。

分子鉗的開(kāi)發(fā)具有重要意義，使用分子機(jī)器人對(duì)目標(biāo)分子進(jìn)行某些實(shí)際操作，這在世界上還是第一次，使分子機(jī)器人的開(kāi)發(fā)邁出了關(guān)鍵性的一大步。

分子機(jī)器人的制造

目前人類(lèi)掌握的技術(shù)已經(jīng)能夠在物質(zhì)的表面一個(gè)一個(gè)地移動(dòng)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。但是分子機(jī)器人在自然界中并不罕見(jiàn)。就拿人體來(lái)說(shuō)，其實(shí)就是微小的精密機(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)龋谌祟?lèi)所有生命活動(dòng)中，如果能夠從分子水平上觀察，就可以看到正在運(yùn)行的無(wú)數(shù)微小精密機(jī)械。

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，但是生物體中的分子機(jī)器人完全是自動(dòng)組裝而成的，個(gè)中機(jī)理科學(xué)家還沒(méi)有完全弄清楚。由于分子機(jī)器人種類(lèi)各不相同，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)器人過(guò)程難免會(huì)錯(cuò)誤百出。

為了制造分子機(jī)器人，首先做出設(shè)計(jì)是必要的。比如分子鉗就是把偶氮苯作為“發(fā)動(dòng)機(jī)”，二茂鐵作為“軸承”，鋅卟啉作為“鉗子”。設(shè)計(jì)結(jié)束后轉(zhuǎn)入組裝，將材料置入溶液中，加溫的同時(shí)加入催化劑，要組裝出像設(shè)計(jì)圖上那樣的分子機(jī)器人，一蹴而就顯然不行。日本科學(xué)家制造成功分子鉗最終用了1年左右的時(shí)間。

分子機(jī)器人的應(yīng)用

分子機(jī)器人最初的應(yīng)用應(yīng)是以醫(yī)療等領(lǐng)域?yàn)橹行?。比如針?duì)病毒的分子機(jī)器人，讓分子鉗前端的部件只能與特定的病毒相結(jié)合，達(dá)到清除病毒的目的；還有向癌腫部位集中投放藥劑的分子機(jī)器人，分子鉗前端攜帶藥劑，在病患部位周?chē)斗拧?/p>

除了分子鉗，其他種類(lèi)分子機(jī)器人的研制也在進(jìn)行中。比如人工細(xì)胞膜，能伸縮自如的人工肌肉等。不僅在醫(yī)療領(lǐng)域，在工程方面分子機(jī)器人也有應(yīng)用，比如把分子機(jī)器人作為電子計(jì)算機(jī)的記憶元件，如果成功的話，就能夠?qū)崿F(xiàn)電子計(jì)算機(jī)的高性能化和小型化。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，制造出糧食也有可能……(文章代碼：100212)

責(zé)任編輯 龐云