分子馬達(dá)是由生物大分子構(gòu)成，利用化學(xué)能進(jìn)行機(jī)械做功的納米系統(tǒng)。天然的分子馬達(dá)，如：驅(qū)動(dòng)蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內(nèi)參與了胞質(zhì)運(yùn)輸、DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂、肌肉收縮等一系列重要生命活動(dòng)。分子馬達(dá)包括線性推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)式兩大類。其中線性分子馬達(dá)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并沿著一條線性軌道運(yùn)動(dòng)的生物分子，主要包括肌球蛋白（myosin）、驅(qū)動(dòng)蛋白（kinesin）、DNA解旋酶（DNA helicase）和RNA聚合酶(RNA polymerase)等。其中肌肉肌球蛋白是研究得較為深入的一種，它們以肌動(dòng)蛋白（actin）為線性軌道，其運(yùn)動(dòng)過程與ATP水解相偶聯(lián)。而驅(qū)動(dòng)蛋白則以微管蛋白為軌道，沿微管的負(fù)極向正極運(yùn)動(dòng)，并由此完成各種細(xì)胞內(nèi)外傳質(zhì)功能。目前對(duì)于驅(qū)動(dòng)蛋白運(yùn)動(dòng)機(jī)制提出了步行（"hand-over-hand"）模型，驅(qū)動(dòng)蛋白的兩個(gè)頭部交替與微管結(jié)合，以步行方式沿微管運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的步幅是8 nm。目前， ATP水解與肌球蛋白和驅(qū)動(dòng)蛋白的機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的化學(xué)機(jī)械偶聯(lián)的關(guān)系還不清楚。近來的研究發(fā)現(xiàn)它們有相同的中心核結(jié)構(gòu)，并以相似的構(gòu)象變化將ATP能量轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍走\(yùn)動(dòng)。DNA解旋酶作為線性分子馬達(dá)，以DNA分子為軌道，與ATP水解釋放的能量相偶聯(lián)，在釋放ADP和Pi的同時(shí)將DNA雙鏈分開成兩條互補(bǔ)單鏈。RNA聚合酶則在DNA轉(zhuǎn)錄過程中，沿DNA模板迅速移動(dòng)，消耗的能量來自核苷酸的聚合及RNA的折疊反應(yīng)。
　　旋轉(zhuǎn)式分子馬達(dá)工作時(shí)，類似于定子和轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，比較典型的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)有F1-ATP酶。ATP酶是一種生物體中普遍存在的酶。它由兩部分組成，一部分結(jié)合在線粒體膜上，稱為F0；另一部分在膜外，稱為F1。F0-ATP酶的a、b和c亞基構(gòu)成質(zhì)子流經(jīng)膜的通道。當(dāng)質(zhì)子流經(jīng)F0時(shí)產(chǎn)生力矩，從而推動(dòng)了F1-ATP酶的g亞基的旋轉(zhuǎn)。g亞基的順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分別與ATP的合成和水解相關(guān)聯(lián)。F1-ATP酶直徑小于12 nm，能產(chǎn)生大于100 pN 的力，無載荷時(shí)轉(zhuǎn)速可達(dá)17轉(zhuǎn)/秒。F1-ATP酶與納米機(jī)電系統(tǒng)（nanoNEMS）的組合已成為新型納米機(jī)械裝置。
　　美國康納爾大學(xué)的科學(xué)家利用ATP酶作為分子馬達(dá)，研制出了一種可以進(jìn)入人體細(xì)胞的納米機(jī)電設(shè)備--"納米直升機(jī)"。該設(shè)備共包括三個(gè)組件，兩個(gè)金屬推進(jìn)器和一個(gè)附屬于與金屬推進(jìn)器相連的金屬桿的生物分子組件。其中的生物分子組件將人體的生物"燃料"ATP轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量，使得金屬推進(jìn)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速率達(dá)到每秒8圈。這種技術(shù)仍處于研制初期，它的控制和如何應(yīng)用仍是未知數(shù)。將來有可能完成在人體細(xì)胞內(nèi)發(fā)放藥物等醫(yī)療任務(wù)。