肉眼看不見的分子大小的機器人成羣結隊地在一起工作——研究人員目前正在研究這種類似科幻電影的技術。北海道大學角五彰副教授等人組成的研究團隊利用由蛋白質等製成的群體「分子機器人」執行了搬運物體的作業，證明結羣工作的效率明顯高於孤軍奮戰。在未來，成羣的分子機器人可能會自由活躍於環境污染物質回收和活體內藥物遞送等多種用途。
群體分子機器人（黃色部分）在中間的框内解散並「卸貨」（紅色和綠色部分爲機器人單體，供圖：北海道大學）
透過顯微鏡觀察黑暗的世界。一個看起來像變形蟲一樣的黃色發光體正在蜿蜒蠕動。當它到了視野的中央後，突然分散成無數的紅色和綠色碎片，向四面八方散開。這種類似於蜘蛛幼蛛離開母體四散而去的動作就像一個生物。
這就是角五副教授的研究團隊開發的群體分子機器人。組成集羣后可以運送微小的樹脂珠，解散集羣時實施「卸貨」。機器人單體發出紅色或綠色的光，組成集羣后顏色混合，呈現爲黃色的光團。角五副教授等人與北海道大學的博士研究員Mousumi Akter和佐田和己教授，以及九州大學、名古屋大學和關西大學共同進行了驗證。
分子機器人的尺寸約爲直徑25奈米（奈米爲十億分之一米），長5微米（微米爲百萬分之一米）。研究團隊製作了100萬個分子機器人。雖然單體長度只有頭髮粗細的約二十分之一，但具備機器人所需的三個要素：訊號接收器、處理器和致動器。
驅動分子機器人行程的驅動系統（致動器）採用在生物細胞内負責運送物質的「馬達蛋白」，它可以將化學反應的能量轉化爲運動。
控制系統（處理器）採用了利用人工合成DNA處理資訊的「DNA電腦」技術。
接收遠程操作訊號的感測器系統則使用照射可見光和紫外光時結構會發生變化的光敏色料。
這樣製作的分子機器人在可見光下會集結成羣運送貨物（微珠）。行程到有紫外光照射的位置後則會解散集羣，將貨物留在解散位置。這就是在顯微鏡下看到的微觀世界中反復進行的「卸貨」機制。
機器人單體運送的粒珠大小約爲3微米，但集結成羣后，即使是約10倍的30微米的珠子也可以運送。如果是相同尺寸的珠子，成羣工作時，以運輸距離和運輸量爲指標的運輸效率約爲單體的5倍。這是全球首次證明了群體分子機器人的工作效率高於單體機器人。角五副教授表示：「我們很高興能在具有機器人研究傳統的日本取得這項成果」。
此次的分子機器人儘管由於設計終極因數，可以使用的環境有限，但成羣結隊工作的機器人除了在物質運輸外還有廣泛的用途。
角五副教授的研究團隊正研究將其用於癌症和病原體檢測技術方面。計劃透過設計分子機器人等，實施與病原體等微量物質發生反應後集羣的模式就發生變化的功能。預計到2040～2050年前後，自主行程集結成羣的分子機器人將活躍於環境淨化連串裝置和醫療等多種場景。
機器也適用生存戰略
| 分子機器人和群體機器人的研究動向與未來展望 | |
| 1959年 | 美國物理可用能學家費曼預言“奈米機器”將獲得隊形變換 |
| 1980~90年代 | 有關分子機器的研究全面展開 |
| 2014年 | 哈佛大學成功控制了幾釐米大的約1000個機器人 |
| 2016年 | 有助於實施分子機器的化學反應獲得諾貝爾化學獎 |
| 2022年 | 北海道大學驗證100萬個分子機器人的群體合作 |
| 2040~50年前後 | 自主行程的群體機器人廣泛活躍於環境淨化連串裝置和醫療等領域 |
據說分子級微型機器「奈米機器」最初是獲得諾貝爾物理可用能學獎的美國物理可用能學家理查德·費曼在1959年的演講中提出的感念。2016年發現有助於實施分子機器的化學反應的研究人員等獲得了諾貝爾化學獎。目前的分子機器正逐漸演化爲集羣工作的「群體機器人」。
群體合作是生物中常見的生存策略。昆蟲、魚、鳥以及人類也是透過組成群體來完成單獨難以完成的作業和實施社會功能的。研究人員也在機器人中積極引入了群體概念。在2021年的東京奧運會開幕式上，小型無人航空載具羣表演引起的關注令人記憶猶新。
越是單體功能有限的小型機器人，組成集羣的優點越大。2014年，美國哈佛大學的研究團隊發佈了控制約1000個數釐米大的小型機器人集羣的技術。
雖然奈米和微米級群體機器人的優點尚未得到驗證，但角五副教授的研究團隊在分子機器人方面取得了突破，它具有「結合最小元素自下而上設計」的。剝削競爭越來越激烈，而製造並控制大羣機器人的技術可能是關鍵。
日文：越川智瑛、《日經產業新聞》，2022/6/24
中文：JST客觀日本編輯部
