Fysikere tager det første skridt mod cellestore robotter

En el-ledende, miljøsansende, formændrende maskine på størrelse med en menneskelig celle? Er det overhovedet muligt?

Cornell-fysikerne Paul McEuen og Itai Cohen siger ikke kun ja, men de har faktisk bygget "musklen" til en.

Med postdoktor Marc Miskin i spidsen, holdet har lavet et roboteksoskelet, der hurtigt kan ændre sin form ved at mærke kemiske eller termiske ændringer i omgivelserne. Og, de hævder, disse mikroskala maskiner - udstyret med elektronisk, fotoniske og kemiske nyttelaster – kunne blive en kraftfuld platform for robotteknologi i størrelsesordenen for biologiske mikroorganismer.

"Du kunne sætte beregningskraften fra rumskibet Voyager på et objekt på størrelse med en celle, " sagde Cohen. "Så, hvor går du på opdagelse?"

"Vi forsøger at bygge, hvad man kan kalde et 'eksoskelet' til elektronik, " sagde McEuen, John A. Newman professor i fysisk videnskab og direktør for Kavli Institute på Cornell for Nanoscale Science. "Lige nu, du kan lave små computerchips, der udfører en masse informationsbehandling ... men de ved ikke, hvordan de skal bevæge sig eller få noget til at bøje."

Deres arbejde er beskrevet i "Graphene-based Bimorphs for Micron-sized, Autonome Origami-maskiner, "udgivet 2. januar i Proceedings of the National Academy of Sciences . Miskin er hovedforfatter; andre bidragydere inkluderede David Muller, Samuel B. Eckert professor i teknik, og ph.d.-studerende Kyle Dorsey, Baris Bircan og Yimo Han.

Maskinerne bevæger sig ved hjælp af en motor kaldet en bimorf. En bimorf er en samling af to materialer – i dette tilfælde, grafen og glas – der bøjes, når det drives af en stimulus som varme, en kemisk reaktion eller en påført spænding. Formændringen sker pga. i tilfælde af varme, to materialer med forskellige termiske reaktioner udvider sig med forskellige mængder over den samme temperaturændring.

Som en konsekvens, bimorfen bøjer sig for at lindre noget af denne belastning, lader det ene lag strække sig længere end det andet. Ved at tilføje stive flade paneler, der ikke kan bøjes af bimorfer, forskerne lokaliserer bøjning til kun at finde sted på bestemte steder, skabe folder. Med dette koncept, de er i stand til at lave en række foldestrukturer lige fra tetraedre (trekantede pyramider) til terninger.

I tilfælde af grafen og glas, de bimorfer folder også som reaktion på kemiske stimuli ved at drive store ioner ind i glasset, får det til at udvide sig. Typisk forekommer denne kemiske aktivitet kun på den yderste kant af glas, når det er nedsænket i vand eller en anden ionisk væske. Da deres bimorfe kun er et par nanometer tyk, glasset er stort set alle yderkanter og meget reaktivt.

"Det er et godt trick, "Sagde Miskin, "fordi det er noget, du kun kan gøre med disse nanoskalasystemer."

Bimorfen er bygget ved hjælp af atomlagsaflejring - kemisk "maling" af atomisk tynde lag af siliciumdioxid på aluminium over et dækglas - derefter vådoverførsel af et enkelt atomlag af grafen oven på stakken. Resultatet er den tyndeste bimorf nogensinde lavet.

En af deres maskiner blev beskrevet som værende "tre gange større end en rød blodlegeme og tre gange mindre end en stor neuron", når den blev foldet. Foldestilladser af denne størrelse er blevet bygget før, men denne gruppes version har en klar fordel.

"Vores enheder er kompatible med halvlederfremstilling, " sagde Cohen. "Det er det, der gør dette kompatibelt med vores fremtidige vision for robotteknologi i denne skala."

Og på grund af grafens relative styrke, Miskin sagde, den kan håndtere de typer belastninger, der er nødvendige til elektronikapplikationer.

"Hvis du vil bygge dette elektroniske eksoskelet, " han sagde, "du har brug for det for at kunne producere nok kraft til at bære elektronikken. Vores gør det."

For nu, disse mindste bittesmå maskiner har ingen kommerciel anvendelse inden for elektronik, biologisk sansning eller andet. Men forskningen skubber videnskaben om nanoskalerobotter fremad, sagde McEuen.

"Lige nu, der er ingen 'muskler' til små maskiner, " han sagde, "så vi bygger de små muskler."