MIT新突破:细胞大小的微型机器人可以感知周围的环境

编译:chux

出品:ATYUN订阅号

麻省理工学院的研究人员已经创造出了可能是目前最小的机器人,它们可以感知周围的环境,存储数据,甚至执行计算任务。这些设备的大小与人类卵细胞大小差不多,由二维材料制成的微型电子电路组成,它使用了一种叫做胶体的微小颗粒。

胶体是不溶的颗粒或分子,从十亿分之一到百万分之一米,它们很微小,可以无限期地悬浮在液体中或甚至在空气中。通过将这些微小的物体耦合到复杂的电路,研究人员希望为可以分散的设备奠定基础,通过从人体消化系统到石油和天然气管道的任何东西进行诊断,或者是通过空气来测量化学处理器或精炼厂内部的化合物。

麻省理工学院化学工程学教授,该研究的高级作者Michael Strano解释说,“我们想找出将电子电路完整的,原封不动移植到胶体颗粒上的方法,”该研究发表在“Nature Nanotechnology”杂志上。麻省理工学院博士后Volodymyr Koman是论文的第一作者。

“胶体可以通过其他材料无法进入的环境和旅行,”斯特拉诺说。例如,灰尘颗粒可以无限地漂浮在空气中,因为它们足够小,以至于碰撞空气分子所带来的随机运动比重力的拉力强。同样,悬浮在液体中的胶体也永远不会沉淀下来。

研究人员在基板材料上制作了仅100微米的微小电子电路,然后将其溶解掉,使各个器件在溶液中自由浮动。

Strano表示,虽然其他团体致力于创造类似的微型机器人设备,但他们的重点一直是开发控制运动的方法,例如通过复制一些微生物有机体用来推动自己的尾状鞭毛。但Strano认为这可能不是最富有成效的方法,因为鞭毛和其他细胞运动系统主要用于局部尺度定位,而不是用于显着运动。在大多数情况下,使这些设备更具功能性比使它们移动更重要。

麻省理工学院团队制造的微型机器人是自供电的,不需要外部电源甚至内置电池。一个简单的光电二极管提供微小的机器人电路为其计算和存储电路供电所需的电流。这足以让他们感知有关他们环境的信息,将这些数据存储在他们的记忆中,然后在完成任务后读出数据。

将电子电路与胶体颗粒组合的微观装置在腔室内雾化,然后引入待分析的物质,其中它可以与装置相互作用。然后将这些装置收集在表面的显微镜载玻片上,以便对它们进行测试。

Strano说,这些设备最终可能成为石油和天然气行业的福音。目前,检查管道泄漏或其他问题的主要方法是让船员沿着管道物理驱动并用昂贵的仪器进行检查。原则上,新设备可以插入管道的一端,与流体一起携带,然后在另一端移除,提供在途中遇到的条件的记录,包括可能指示的污染物的存在问题区域的位置。最初的概念验证设备没有可以指示特定数据读数位置的定时电路,但添加这些是正在进行的工作的一部分。

同样,这些颗粒可能潜在地用于体内诊断,例如通过消化道寻找炎症迹象或其他疾病指标,研究人员说。

大多数传统的微芯片,例如硅基或CMOS,具有平坦的刚性基板,并且当附着到胶体上时不能正常工作,胶体在穿过环境时会经历复杂的机械应力。此外,所有这些芯片都“非常耗能”。这就是为什么Koman决定试用二维电子材料,包括石墨烯和过渡金属二硫化物,他发现这些材料可能附着在胶体表面,即使在被发射到空气或水中之后仍然可以使用。这种薄膜电子设备只需要很少的能量。

为什么不单独使用2D电子设备?如果没有一些基材来携带它们,这些微小的材料太脆弱而无法保持在一起并发挥作用。“如果没有基质,它们就不可能存在,我们需要将它们接枝到颗粒上,使它们具有机械刚性,并使它们足够大,以便夹带在流动中。”

但Koman说,如胶体的2D材料“足够坚固,具有足够的鲁棒性,即使在非常规基质上也能保持其功能”。

他们用这种方法生产的纳米器件是自主粒子,包含用于发电,计算,逻辑和存储器的电子器件。它们由光线驱动,并包含微小的后向反射器,可以在旅行后轻松定位。然后可以通过探针查询它们以提供其数据。在正在进行的工作中,该团队希望增加通信功能,以允许粒子在不需要物理接触的情况下提供数据。

纳米级机器人技术的其他努力尚未达到创造复杂电子器件的那种水平,所述复杂电子器件足够小且能量有效以雾化或悬浮在胶体液体中。Strano表示,这些是非常聪明的粒子,且按照现行的标准,这篇论文是机器人技术的新领域。

原文发布于微信公众号 - ATYUN订阅号(atyun_com)

原文发表时间:2018-07-24

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