按一下墙上的开关，灯亮了。松开手，开关仍停在原位。再次按动，它又“咔哒”一声跳回去。

这套再普通不过的机械逻辑，如果缩小到纳米尺度，材料换成DNA，还能正常工作吗？

来自慕尼黑工业大学等机构的研究人员，最近造出了这样一个DNA折纸开关。它可以在电场控制下快速切换，断电后保持状态，性能最佳的单个器件在约5.5小时内完成了约19.5万次实际状态转换，平均切换效率达到94%。

更有意思的是，研究人员还为这套开关接入了两种功能：一组器件通过金纳米棒调制光学信号，另一组则利用机械结构遮挡或暴露结合位点，调节DNA分子的结合过程。

6月24日，相关研究以《A high-endurance DNA origami snap-through switch for functional nanoscale control》为题，登上机器人顶刊《Science Robotics》。

它还称不上一台完整的纳米机器人，更接近一枚能够接收电信号、快速切换并保持状态的DNA机械开关，可作为未来纳米机器人的基础控制元件。

01.

把“咔哒”开关缩到纳米尺度

DNA折纸，听起来像是拿DNA叠纸鹤。

实际原理也有一点类似。研究人员使用一条较长的DNA链作为骨架，再加入大量经过设计的短DNA链，将骨架固定在指定位置。依靠碱基互补配对，DNA会自行组装成预先设计好的二维或三维结构。

在这项研究中，DNA承担的是一种纳米级工程材料。

整个开关安装在一块约55纳米×55纳米的DNA折纸基板上。核心结构包括两根长度分别约25纳米和26纳米的六螺旋束转子臂。这里的六螺旋束可以理解为由六条DNA双螺旋并排组成的刚性梁。

两根转子臂通过柔性DNA铰链相连，并分别连接在基板上。研究人员还在其中一根短臂上安装了一根长约413纳米的六螺旋束延伸臂。

DNA骨架带有负电荷。外部施加电场时，延伸臂会受到电泳力并产生转矩，推动两根短臂发生形变，越过中间的机械势垒，突然跳到另一侧。

DNA折纸双稳态开关的结构设计。两根转子臂通过柔性铰链连接，较长的延伸臂用于接收电场驱动。

圆珠笔尾部的按压机构、弹片开关和某些卡扣，都使用了类似思路：结构平时可以稳定停在两个位置，只有外力足够大时，才会快速跳到另一个状态。

研究团队把这套宏观机械逻辑装进了DNA结构里。

由于转子臂长度、铰链位置以及约11纳米的空间重叠，开关天然拥有两种稳定构型。两种状态之间隔着一道机械势垒，无法随意切换。于是，这个DNA结构拥有了类似“开”和“关”的两个稳定状态。

02.

毫秒切换，断电后还能“记住”

在纳米尺度，任何机械设计都绕不开一个麻烦：布朗运动。

液体中的分子持续受到周围粒子撞击，会不停抖动。宏观世界里稳定不动的结构，缩小以后可能像泡在沸水里一样，被热噪声推来推去。一个合格的纳米开关，既不能被随机碰撞轻易触发，也不能硬到外部指令推不动。

根据单分子轨迹建立的简化模型，研究人员估算，这个DNA开关两种状态之间的能量势垒约为13.6 kBT。

这道势垒足以挡住日常的热扰动。研究团队连续观察70个双稳态开关1小时，没有发现自发切换。理论模型给出的状态寿命约为6小时，实际稳定时间可能更长。

收到电场指令后，情况会立即改变。外部电场会让原本对称的双阱能量景观发生倾斜：一侧变得不稳定，另一侧变得更稳定。DNA杠杆臂由此带动结构越过势垒，完成切换。

切换过程可以达到毫秒级。

DNA开关拥有两个由能量势垒隔开的稳定状态。外部电场使能量景观发生倾斜，推动结构越过势垒，完成状态切换。

在一次测试中，同一个开关先以10赫兹频率接受500次、每次持续10毫秒的电脉冲，成功完成447次机械切换，效率为89%。

随后，器件在断开驱动的情况下静置1小时，一直保持最后的状态。再次输入500个脉冲后，它又完成434次转换，效率为87%。

器件方向与电场对齐较好时，性能还会提高。在300伏、100毫秒脉冲条件下，轴向偏差控制在±5°以内的一组开关，平均切换效率超过95%。

03.

20万次实际切换，DNA开关先过耐久关

会动一次的纳米结构并不少见。真正难的是持续、稳定地反复动作。

过去不少DNA开关依靠DNA链结合、解离或链置换来改变构型。此类方法具有较强的可编程性，但常受到分子扩散和化学反应速度限制。完成一次切换可能需要几秒、几分钟，甚至更长。持续运行还要不断补充化学燃料，并面对反应泄漏、链脱落和副产物累积等问题。

这项研究把耐久性摆到了核心位置。为了在长时间实验中持续读取开关状态，研究人员在DNA结构上安装了金纳米棒。开关翻转后，金纳米棒方向随之改变，研究人员便能通过光学信号判断开关位于哪一种状态。

性能最佳的单个器件，在约5.5小时内承受了20.68万次电驱动。其中约19.5万次真正完成状态切换，平均效率约为94%。

研究人员还测试了没有安装金纳米棒的原生DNA开关。在每次300伏、持续1毫秒的较低驱动负载下，器件在3小时内接受了100万次连续驱动，实验结束后仍保持稳定切换，切换良率达到85%。

研究还将观察时间延长到了数天。实验开始168小时后，也就是第七天，样品中仍有少量器件表现出切换活动。

一些暂时停止工作的开关后来还恢复了切换。研究团队认为，这可能与可逆的外部阻塞有关，也不排除部分DNA短链重新结合带来的结构恢复。

04.

一个DNA开关，两种功能输出

一个开关能切换很多次，只证明它足够耐用。它能接入什么功能，决定了它在纳米系统中能够承担什么角色。

研究团队先让它控制光。

安装在结构上的金纳米棒会随开关改变方向，从而调制偏振相关的散射信号。电信号由此经过DNA机械结构，转换成了可读取的光学输出。这类能力未来可能用于纳米光子器件、微型显示、分子信息处理和光学传感。

第二套方案瞄准一种生化反应——分子结合。

研究人员在DNA折纸基板上布置了特定的DNA-PAINT结合位点。开关位于状态1时，结合位点暴露在外，荧光标记的DNA短链可以前来结合；切换到状态2后，转子臂会像一道机械挡板，遮住结合位点。

在15分钟的观察窗口内，记录到的结合事件由约75次降至约30次。开关重新切回状态1后，结合水平随之恢复。也就是说，通过不同的功能化设计，同一种DNA开关架构分别接通了两条链路：电信号—机械切换—光学输出；电信号—机械切换—分子结合调节。

05.

纳米机器人先补上“可靠开关”

这项研究距离能够在人体内自主感知、识别目标并执行治疗任务的纳米机器人，还有不少工程问题。

实验中的DNA开关被固定在功能化玻璃基底上，器件朝向会直接影响电场驱动效果。单个开关如何组成阵列，多个器件如何分别寻址，彼此之间如何建立逻辑连接，同样有待解决。

但这项研究已经完成了一项很基础的工作：把宏观机械中的双稳态突跳原理缩小到DNA折纸尺度，并像测试工程器件一样，系统测量它的速度、稳定性、循环寿命和失效过程。

未来的纳米机器人未必拥有缩小版的电机、齿轮和机械臂，但它们同样需要可靠的基础控制元件：接收指令、保持状态，并在正确的时间打开或关闭某个过程。

这枚DNA折纸开关，先把其中一个“咔哒”声做了出来。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aec7796