构建分子装配线

四个巨大的机械臂环绕着闪闪发光的金属外壳，这将很快成为一款顶级汽车。它们猛地启动，接上引擎盖、后视镜和其他面板。这种精密操作如今在世界各地的汽车厂都能找到。但有一个问题值得考虑:我们能不能用小10亿倍的速度完成这样的壮举?

2016年，三位构建分子机器的先驱获得了诺贝尔奖。他们的工作开辟了新天地。但是第一批因为他们创造的分子机器而获得奖励的大多是简单的东西，比如转子、开关之类的。现在，像英国曼彻斯特大学的大卫·利教授这样的化学家们，正试图制造由几个组成部分组成的复杂分子机器，这些机器可以做一些有用的工作。

制造分子机器是精英化学家的工作，但这个行业的基本技巧很容易掌握。其中一些涉及到构建相互机械连接的分子。例如，你可以构建一个轮烷，一个环状分子，穿过一个轴。如果你沿着轴放置不同的原子群，然后操纵它们的性质——也许是给予或带走一个静电荷——你就可以让环沿着轴移动。这是一种简单的组件，可以用于更复杂的分子机器。

生化工厂

我们可以用更先进的分子机器——或者一些人所说的“纳米机器人”——做些什么呢?利教授特别感兴趣的是制造纳米机器人，它可以像化学装配线一样，合成具有有趣特性的新化学物质。他受到核糖体的启发，核糖体是细胞中制造蛋白质的生化工厂。它需要一种叫做氨基酸的简单积木，这种积木只有20种不同的天然品种，并将它们拼接成长链或聚合物。根据氨基酸序列的不同，这些链会折叠成一系列令人惊叹的不同生物材料——从构成我们皮肤和头发的角蛋白到肌肉纤维。

化学家们已经制造出了一系列令人惊叹的人造聚合物，但要控制这些组成部分连接在一起的顺序却极其困难。“序列特异性聚合物是化学领域尚未解决的挑战，”利教授说。但他认为分子机器可能是一个解决方案。如果我们有可以组装聚合物的分子机器，它们就不会局限于自然界所拥有的20个氨基酸构建块，因此它们可能会制造出更奇妙的材料阵列。

荷兰格罗宁根大学的化学家Nathalie Katsonis教授说，制造能够制造序列特异性聚合物的机器绝非易事。“但我相信，这项研究将在化学的未来发挥重要作用，也可能在材料科学中发挥重要作用。”

Leigh教授在2014年开始的MOLFACTORY项目中一直在追求这一目标。在2017年的一篇重要论文中，利教授和他的团队展示了他们可以制造一个分子机械臂，这是一个简化的——而且比组装汽车的机械臂小得多。这条手臂抓住一种反应性化学物质，并将其移动到两个位置之一。根据它所处位置的不同，化学物质以不同的方式反应，产生不同的化学产物。进一步发展，像这样的机器可以产生序列特定的聚合物，类似于核糖体产生的蛋白质。就像不同的蛋白质可以产生力量(肌肉)或者比钢(蜘蛛丝)强五倍一样，这可能让我们可以用人工聚合物做类似的事情，比如“序列特异性聚苯乙烯”。

美国缅因大学的雷蒙德·阿斯图米恩教授说:“大卫和他的团队正在进行惊人的创造性工作。”“它们制造的分子机器不仅具有潜在的实际用途，而且还有助于回答基本问题。”

另一个名为prognanorrobot的项目，由Germán Zango博士领导，在Leigh教授的实验室工作，试图进一步发展这种生产机器人。该项目有许多目标，包括生产可以使用化学燃料的机械手臂;还有一种纳米设备能够远距离(也就是在原子尺度上)运送分子货物。

该项目于2019年至2021年3月进行，迄今尚未公布结果。但赞戈博士取得了一些关键的成功。他说，他制造了一种设备，可以将分子货物从一只机械臂运送到另一只机械臂，从而实现了远距离运输的目标。

Zango博士说，这项研究“可能会引领我们走向有用的分子纳米技术的曙光，同时也是一项巨大的挑战和令人兴奋的经历”。

触发器

在不久的将来，纳米机器人研究需要克服几个重大挑战。目前，通常情况下，分子机器需要在特定的系列中输入一些化学触发器才能使它们工作。如果该系统用于大规模生产聚合物，将会产生大量废物。Zango博士的部分工作研究了减少所需化学触发器的数量或使用光作为触发器。Zango博士说:“我们试图实现的最具挑战性的事情之一是使用一种化学物质来驱动机器的整个运行周期，或者只使用光开关。”

利教授说，另一个巨大的挑战是纠错。纳米尺度的机器与人类尺度的机器人明显不同，因为它们总是受制于随机性;你可以设置一个分子机器来完成一项特定的工作，但你永远无法确保它总是正确地工作。生物学也必须解决这个问题。在我们的身体里，有一套分子机器来制造生物分子，而另一套则专门负责发现和纠正第一套机器所犯的错误。利教授说，在某种程度上，人工分子机器将必须具有某种纠错机制。这种工作还处于起步阶段。

尽管如此，在2020年10月，Leigh教授和他的团队在构建序列特异性聚合物合成器方面迈出了重要一步。他们制造了一个基于轮烷的机器人，其中一个环沿着轨道“行走”，沿途拾取分子并将它们连接在一起。结果只将四个分子连接在一起——与蛋白质中的数百或数千个分子相去甚远——但这仍然是一个很大的进步。

利教授说，分子机器的功能有时似乎被夸大了。但他认为，从长远来看，这是合理的。他说:“我真的认为，分子机器最终会像工业革命或互联网那样给世界带来革命性的变化。”但利教授补充说，这肯定需要时间。

他承认，目前还没有什么是他能用分子机器做的，而其他方法更简单。但当你发明新东西时，这是意料之中的。利教授说，这很像石器时代的人用轮子磨玉米。他不知道有一天它会被用来制造汽车。