Opbygning af en trådløs mikromaskine

Overalt omkring os, gemmer sig lige uden for vores synsfelt, er små maskiner. Små accelerometre i vores biler fornemmer en kollision og fortæller airbaggene at pustes op. En Nintendo Wii-controllers bittesmå gyroskoper omsætter dit tennissving til bevægelse på skærmen. En iPhones accelerometer, gyroskop, og nærhedssensor registrerer dens placering i rummet.

Alle disse små maskiner, kendt som mikroelektromekaniske systemer, eller MEMS, har noget til fælles:de er knyttet til, eller meget tæt på, en strømkilde. Til bredere anvendelser, som trådløse hjerneimplantater, videnskabsmænd og ingeniører har brug for strøm på afstand. Men selvom det er nemt at sende information gennem luften – tænk på radiobølger – sender strøm, især til en lille maskine, kan være lidt sværere.

Men nu er et team af forskere, ledet af Boston University College of Engineering (ENG) PhD-kandidat Farrukh Mateen (ENG'18) og Raj Mohanty, professor i fysik ved BU's College of Arts &Sciences (CAS), nærmer sig en løsning. De har bygget en lille mikromekanisk enhed og tændt og slukket den med en nanowatt strøm – det er en milliardtedel af en watt – på tre fods afstand. Enheden, beskrevet i den 15. august, 2016, spørgsmål af Natur:Mikrosystemer og nanoteknik , er en miniature sandwich af guld og aluminiumnitrid, der vibrerer, eller giver genklang, ved mikrobølgefrekvenser. Den lille resonator er kun 100 mikrometer på tværs - lidt bredere end bredden af ​​et menneskehår.

"Trådløs strøm er ikke nyt, " siger Mateen, hovedforfatter på papiret. "Nikola Tesla demonstrerede det på verdensudstillingen i 1893, men vi tror, ​​det er første gang, det er blevet brugt med en mikromekanisk resonator."

I en anden runde af eksperimenter, enheden opnåede en imponerende effektivitet på 15 procent ved at bruge en højere radiofrekvens. Disse resultater blev offentliggjort online den 16. august, 2016, spørgsmål af Anvendt fysik bogstaver .

Den mest lovende anvendelse for denne type anordning ligger i det nye område af optogenetik:skinne lys på genetisk modificerede hjerneceller for at få dem til at opføre sig på en bestemt måde. Feltet byder på et stort potentiale for neurovidenskabelig forskning, samt mulige behandlinger af neurologiske lidelser som Parkinsons sygdom. Men at plante en enhed i kroppen, især hjernen, er udfordrende. Det skal være lille og effektivt, lav effekt og lav stråling. Strøm skal gå hurtigt til enheden, gennem knogle- og hjernevæv. "Du ønsker ikke at skulle skifte batterier hver dag, " siger Mohanty, tilsvarende forfatter på begge papirer, "og du vil ikke stege din hjerne."

Der er to måder at sende strøm på uden ledninger. Den første, magnetiske felter, har en kort rækkevidde, medmindre der bruges store trådspoler, begrænser deres anvendelighed til små enheder. Sekundet, elektriske felter, har en længere rækkevidde, men preller af stort set alt. "Men der er måder at omgå dette på, " siger Mateen, hovedforfatter på begge papirer. "Vi troede, at optimering af modtageren kan være svaret."

Holdet begyndte at tænke på resonatorer - materialer, der naturligt vibrerer ved bestemte frekvenser - som et vippebræt, der pisker luften på en bestemt måde, eller et vinglas, der shimmer som svar på en bestemt lydfrekvens.

"Resonatorer er byggestenene i alle mikromaskiner, " siger Mohanty. "Hvis vi kunne få det til at fungere, vi kunne bygge hvad som helst ovenpå det."

Denne særlige resonator består af et lag af aluminiumnitrid på en siliciumbase. Aluminiumnitrid er et "piezoelektrisk" materiale - når det registrerer et elektrisk felt, det bøjer eller giver genklang. Problemet var at bygge en lillebitte antenne, så materialet kunne mærke elektriciteten i luften.

"Vi var nødt til at ændre vores tankegang, " siger Mohanty. "Vi sagde, hvorfor ikke bruge selve resonatoren som antenne? Det var der, gennembruddet kom." Holdet forvandlede resonatoren til det, der kaldes en "patch-antenne" ved at tilføje tynde lag guld til toppen og bunden. Den enkle løsning gjorde det trick.

"Jeg var virkelig overrasket, da det virkede, " siger Mateen, der husker at ringe til sin kollega, medforfatter Carsten Mädler (GRS'16), da han første gang opdagede et signal. "Jeg sagde, 'Fyr! Du skal se dette! Jeg tror, ​​vi kan aktivere denne ting trådløst!'"

Selvom teknologien er i sin vorden, Mateen ser mange potentielle anvendelser, fra fjernsensorer til forbedring af mobiltelefonopladere til hjerneimplantater. "Idéen med en biomedicinsk applikation er bare fantastisk, " siger han. "Det ville være fantastisk, hvis det endte i et eller andet produkt, der hjalp menneskeheden på en eller anden måde. Det er et lille skridt hen imod det."