约翰霍普金斯大学的工程师们已经开发出一种凝胶条，当收到写有DNA代码的化学指令时，这种凝胶条就会改变形状。这些“凝胶自动机”只有几厘米长，可以生长或收缩，当被特定的DNA分子触发时，可以从一个字母或数字转变为另一个字母或数字。这一突破打开了变形机器人和医疗设备的可能性，它们可以重新配置自己来执行各种任务。

　　他们的研究发表在《自然通讯》杂志上。

　　“这些凝胶自动机，可以精确而动态地响应DNA指令，代表了一个im

　　迈向新一代适应性和反应能力的重要一步

　　从医学到机器人应用的密集材料。石若红，23级工程师（博士）

　　“这些凝胶自动机，可以精确和动态地响应DNA指令，代表了新一代自适应和响应材料的重要一步，用于从医学到机器人的应用，”23岁的工程师（博士）Ruohong Shi说，他与Whiting工程学院化学和生物分子工程系的Rebecca Schulman和David Gracias教授一起研究。施是国家标准与技术研究院的博士后。

　　从胚胎的发育到生物体的生长和衰老，形状的变化在自然界每时每刻都在发生。在制造凝胶的过程中，研究人员的灵感来自于使用核酸诱导物理变化的生命系统，可以根据指令反复重新配置的传统机器，以及响应光或电信号改变形状的软机器人。

　　Gracias说：“我们的研究表明，我们如何利用化学物质在非常柔软的材料上实现类似的形状变化。”

　　在他们的研究中，研究人员首先开发了一种凝胶，这种凝胶可以根据来自四个独立DNA序列的信号生长或收缩，而无需其他人为干预。他们观察了凝胶的转变，用延时成像技术量化了它们对各种化学信号的反应。

　　图片说明：霍普金斯大学的工程师们创造了小而灵活的凝胶，当暴露于基于dna的激活剂时，可以通过编程改变形状。

　　图片来源：约翰霍普金斯大学

　　他们发现，凝胶改变形状的速度受到水进出凝胶的速度的影响。研究人员指出，这类似于涉及凝胶状物质或组织的自然现象，例如疾病如何发展，以及身体如何随着时间的推移而愈合。

　　接下来，该团队将四种不同类型的注入dna的凝胶的微小部分组合在一起，制成可以改变形状的条带。每个部分都可以单独命令生长或收缩，使研究人员能够控制整个条带的形状。

　　“生物体利用生物分子来指导其形状的特定变化，”舒尔曼说。“我们的凝胶自动机也可以做到这一点——它们由微段组成，当暴露在DNA指令下时，每个微段都可以生长或收缩。”

　　为了对这些形状进行分类，他们开发了一种卷积神经网络（CNN）——一种分析视觉模式的人工智能。通过用手写数字和模拟凝胶形状的图像训练这个人工智能，研究人员创造了厘米长的条带，可以在字母表的字母和奇数或偶数之间转换。该团队表示，这种dna控制材料和人工智能分类的创新结合，为开发复杂的变形材料打开了大门。

　　“可编程凝胶自动机在智力上是引人注目的，因为它们为我们提供了如何创造真正可编程物质的一瞥，”Gracias说。

　　该研究的共同作者还包括化学与生物分子工程系的陈广琳、约书亚·芬、刘义鑫、黄琦，以及化学与生物分子工程校友、现任华盛顿州立大学化学工程与生物工程系助理教授的多米尼克·斯卡利斯。来自怀廷学院机械工程系和计算传感与机器人实验室的邓思明和诺亚·j·考恩也做出了贡献。