DNA折纸术纳米反应器

基于DNA折纸技术,构建具有纳米尺度可寻址的新型DNA纳米反应器,是DNA纳米技术领域的一个最新研究思路和方向。它的优势首先在于其纳米定位能力,通过不同的化学或生物相互作用,已能够实现对包括化学小分子、生物大分子及人工纳米材料等的纳米级精确定位;其次,DNA折纸结构的丰富多样性,使构建纳米级仿生限域环境成为了可能;此外,DNA折纸结构本身的生物相容性及优良的产率,也保证了这一材料的可应用性。本文首先介绍了在DNA折纸结构上,对不同材料和分子进行纳米定位的一般方法和最新进展。然后,着重阐述了基于纳米定位技术,以DNA折纸结构作为纳米反应器,对一些化学、生化反应的成功调控。最后,基于现有的工作基础,我们提出了DNA折纸术纳米反应器概念在未来的发展方向及应用前景展望。     

可控自组装DNA折纸结构作为药物载体的研究进展

在过去的几十年里, DNA纳米技术作为一种快速发展的可控自组装技术, 使人们能构建出各种复杂的纳米结构. DNA折纸结构具备可编程性、 空间可寻址性、 易修饰性及良好的生物相容性等多种优越的特性, 这些优异的性质使其在药物递送方面具有广阔的应用前景. 本文总结了近年来可控自组装DNA折纸结构作为药物递送系统的研究进展, 展望了DNA折纸纳米载体未来的发展方向, 并讨论了该领域面临的挑战和可能的解决方法.     

DNA纳米机器:梦想照进现实

可进体内治病救人的纳米机器人一直是人们梦寐以求的未来科技和医疗手段.最近,国家纳米科学中心的丁宝全、聂广军等在这个方向取得了重要的突破,成功开发了基于DNA纳米机器的癌症免疫治疗疫苗.他们首先利用DNA折纸术构筑了一个可精确负载抗原和佐剂的管状结构,通过皮下注射递送至淋巴结,经由内吞在树突细胞内涵体内发生pH响应性的锁链打开,暴露抗原和佐剂,从而激活树突细胞,产生抗原特异性的T细胞,有效杀伤肿瘤细胞.该疫苗不仅可以有效抑制肿瘤的生长和复发,还诱导特异性记忆效应,可持续产生特异性的保护.这提供了一个精准递送分子药物的平台,让人看到成功发展纳米机器人的曙光,有望给医学和医疗保健带来重要变革.     

DNA折纸结构介导的多尺度纳米结构精准制造

原子及近原子尺度制造在近年来一直是物质科学领域被广泛探讨的前沿问题.当制造和加工的尺度从微米、纳米逐渐走向原子级别时,材料在常规尺度下所具备的性质已无法通过经典理论进行解释,相反地,会在这一尺度下展现出一系列新奇的特性.因而对材料极限制造尺度和颠覆性物性的不断追求始终是科学界共同关注的重点领域.作为一种在纳米尺度下对结构制造单元进行精细操控的先进手段,DNA纳米技术的开发和发展为纳米制造甚至原子制造提供了新的观点和思路,而DNA折纸术作为DNA纳米技术的重要组成部分,正在凭借其在结构制造过程当中的高度可编程性成为纳米尺度下进行各类物质精准制造的独特的解决方案,并可能为不同物质不同材料更小尺度和任意形状的精准构筑带来机遇.本文首先简单概述了DNA折纸术的基本原理和发展历程,然后根据制造策略的不同对DNA折纸结构的纳米制造的相关代表性工作做了总结,并在文末提出了对于DNA折纸结构在原子制造中的可行性的思考和未来发展方向的展望.     

TMP折纸防护的双稳态软体机器人

软体机器人在复杂非结构化环境探索搜救等方面展现出了良好的应用潜力,但仍存在运动速度较慢、软体结构易受损等问题亟需解决.基于此,提出了一种TMP (Tachi-Miura polyhedron)折纸防护的双稳态软体机器人.软体脊柱、拉簧和TMP折纸外壳组成双稳态系统,由气压驱动突破双稳态系统的两个能量壁垒,实现双稳态之间的切换,并通过快速储存和释放能量驱动软体机器人快速运动. TMP折纸作为软体机器人的外壳,可为其提供防护,预防外界坚硬锋利介质刺破软体脊柱;此外,其在运动过程中的应变能对软体机器人的双稳态能量势阱具有较大贡献.结合材料拉伸实验和商用软件中的本构参数拟合法,确定了软体脊柱材料本构模型参数.探究了软体脊柱弯曲角度与驱动气压之间的量化关系,并提出了基于分段常曲率法的软体机器人运动学建模方法.开展了系列实验测试,发现所提软体机器人通过图钉模拟的极端环境时仍能正常运动,在平地上平均速度达到1.81BL s^-1,其质量-运动速度关系图位于软体机器人和刚性机器人的交叉区域,属于刚-软耦合机器人.此外,证实了所提软体机器人在石子路、泥泞地、浅水沟、浅草地和深水池复杂...     

折纸运动学综述

随着21世纪折纸工程学的发展,折纸不再仅仅是一项民间艺术,一方面数学家前期的大量工作随之浮出水面,另一方面工程应用对折纸结构折叠过程的描述与分析都提出了新的挑战.同时,折纸的对象也不再局限于简单的纸张,工程中存在大量的厚度不可忽略的平板结构,他们的折叠展开问题一直困扰着相关的工程应用.近几年超材料的发展给模块化折纸带来了一次从玩具到高科技的飞跃,然而如何协调地安排这些折纸模块使得整体结构展现出超常且可变化调控的性能是折纸领域的新热点.由此可见,折纸运动学在诸多应用与探索方面都起到了决定性的基础作用.本文重点介绍了已有的机构学理论与方法及其在各种折纸结构分析设计中的应用,旨在为折纸工程学的发展提供坚实的理论技术基础.     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMaxTM PLA为试样材料,利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验,运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算,探讨了其变形模式和能量吸收特性,分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段:初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值,减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下,对于单胞模型,仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管;对于多胞管件阵列模型,方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管,其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下,阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时,折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管,其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时,仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。     

折纸告诉你直角等分问题的数学原理

一、问题的引入 我们知道,一张正方形的纸（如图1）如果按其对角线AD往上翻折,那么右下角∠D就被平分了,即将一个90°的角分成了两个相等的45°角．因此很容易利用折纸的方法得到直角的角平分线．那么,如何用最直接的方法得到直角的三等分线呢？如图2,先将正方形纸片对折,得到折痕MN,再将右底角向上翻折,使得翻折后的顶点落在折痕MN上,如图3．     

多稳态串联折纸结构的非线性动力学特性

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的 广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料通常由多胞构成,但多胞 结构的多稳态特性及其诱发的动力学行为尚不清晰,相关的研究还较少.本文在双稳态Miura-ori堆叠结构单胞的基础上,研究由两个异构 双稳态单胞基于力平衡串联而成的结构.静力学分析指出,双胞串联结构具有4个定性不同的稳定构型,呈现出多稳态特征.动力学分析指 出,双胞串联结构在4个稳定构型处具有显著不同的固有频率特征. 逐渐增大激励幅值,双胞串联结构的多稳态特性诱发出类型丰富的复杂 非线性动力学响应,包括亚谐、超谐甚至混沌的阱内和阱间振动. 根据幅值特征,我们将稳态动力学响应分为九类,并开展了动力学响应的 吸引盆和吸引盆稳定性分析.结果表明,不同类型动力学响应的吸引盆稳定性(即出现概率)显著不同,且与激励幅值密切相关.本文得到的 多稳态双胞串联结构的静力学特性、动力学响应的分类,以及吸引盆稳定性相对于激励幅值的演化规律,对深入认识多稳态折纸结构的非 线性动力学特性,调控非线性动力学响应具有参考价值和指导意义.