分子馬達是由生物大分子構成，利用化學能進行機械做功的納米系統。天然的分子馬達，如：驅動蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內參與了胞質運輸、DNA復制、細胞分裂、肌肉收縮等一系列重要生命活動。分子馬達包括線性推進和旋轉式兩大類。其中線性分子馬達是將化學能轉化為機械能，并沿著一條線性軌道運動的生物分子，主要包括肌球蛋白（myosin）、驅動蛋白（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，它們以肌動蛋白（actin）為線性軌道，其運動過程與ATP水解相偶聯。而驅動蛋白則以微管蛋白為軌道，沿微管的負極向正極運動，并由此完成各種細胞內外傳質功能。目前對于驅動蛋白運動機制提出了步行（"hand-over-hand"）模型，驅動蛋白的兩個頭部交替與微管結合，以步行方式沿微管運動，運動的步幅是8 nm。目前， ATP水解與肌球蛋白和驅動蛋白的機械運動之間的化學機械偶聯的關系還不清楚。近來的研究發現它們有相同的中心核結構，并以相似的構象變化將ATP能量轉變為蛋白運動。DNA解旋酶作為線性分子馬達，以DNA分子為軌道，與ATP水解釋放的能量相偶聯，在釋放ADP和Pi的同時將DNA雙鏈分開成兩條互補單鏈。RNA聚合酶則在DNA轉錄過程中，沿DNA模板迅速移動，消耗的能量來自核苷酸的聚合及RNA的折疊反應。
　　旋轉式分子馬達工作時，類似于定子和轉子之間的旋轉運動，比較典型的旋轉式發動機有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亞基構成質子流經膜的通道。當質子流經F0時產生力矩，從而推動了F1-ATP酶的g亞基的旋轉。g亞基的順時針與逆時針旋轉分別與ATP的合成和水解相關聯。F1-ATP酶直徑小于12 nm，能產生大于100 pN 的力，無載荷時轉速可達17轉/秒。F1-ATP酶與納米機電系統（nanoNEMS）的組合已成為新型納米機械裝置。
　　美國康納爾大學的科學家利用ATP酶作為分子馬達，研制出了一種可以進入人體細胞的納米機電設備--"納米直升機"。該設備共包括三個組件，兩個金屬推進器和一個附屬于與金屬推進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轉化為機械能量，使得金屬推進器的運轉速率達到每秒8圈。這種技術仍處于研制初期，它的控制和如何應用仍是未知數。將來有可能完成在人體細胞內發放藥物等醫療任務。