Robotter i cellestørrelse kan mærke deres omgivelser

Forskere ved MIT har skabt, hvad der kan være de mindste robotter til dato, der kan fornemme deres miljø, gemme data, og endda udføre beregningsopgaver. Disse enheder, som er omtrent på størrelse med en menneskelig ægcelle, består af bittesmå elektroniske kredsløb lavet af todimensionelle materialer, piggybacking på små partikler kaldet kolloider.

kolloider, hvilke uopløselige partikler eller molekyler overalt fra en milliardtedel til en milliontedel af en meter i diameter, er så små, at de kan forblive suspenderet uendeligt i en væske eller endda i luft. Ved at koble disse små objekter til komplekse kredsløb, forskerne håber at lægge grunden til enheder, der kan spredes til at udføre diagnostiske rejser gennem alt fra det menneskelige fordøjelsessystem til olie- og gasrørledninger, eller måske at svæve gennem luften for at måle forbindelser inde i en kemisk processor eller raffinaderi.

"Vi ønskede at finde ud af metoder til at transplantere færdig, intakte elektroniske kredsløb på kolloide partikler, " forklarer Michael Strano, Carbon C. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT og seniorforfatter af undersøgelsen, som blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi . MIT postdoc Volodymyr Koman er papirets hovedforfatter.

"Kolloider kan få adgang til miljøer og rejse på måder, som andre materialer ikke kan, " siger Strano. Støvpartikler, for eksempel, kan svæve i det uendelige i luften, fordi de er små nok til, at de tilfældige bevægelser givet af kolliderende luftmolekyler er stærkere end tyngdekraftens træk. Tilsvarende kolloider suspenderet i væske vil aldrig bundfælde sig.

Strano siger, at mens andre grupper har arbejdet på at skabe lignende bittesmå robotenheder, deres vægt har været på at udvikle måder at kontrollere bevægelse på, for eksempel ved at replikere de halelignende flageller, som nogle mikrobielle organismer bruger til at drive sig selv frem. Men Strano antyder, at det måske ikke er den mest frugtbare tilgang, da flageller og andre cellulære bevægelsessystemer primært bruges til lokal-skala positionering, snarere end for væsentlig bevægelse. Til de fleste formål, at gøre sådanne enheder mere funktionelle er vigtigere end at gøre dem mobile, han siger.

Små robotter lavet af MIT-teamet er selvdrevne, kræver ingen ekstern strømkilde eller endda interne batterier. En simpel fotodiode giver den strøm af elektricitet, som de små robotters kredsløb kræver for at drive deres beregnings- og hukommelseskredsløb. Det er nok til at lade dem fornemme information om deres miljø, gemme disse data i deres hukommelse, og derefter få dataene læst op efter at have fuldført deres mission.

Sådanne enheder kan i sidste ende være en velsignelse for olie- og gasindustrien, siger Strano. I øjeblikket, den vigtigste måde at kontrollere for utætheder eller andre problemer i rørledninger er at få et mandskab til fysisk at køre langs røret og inspicere det med dyre instrumenter. I princippet, de nye enheder kunne indsættes i den ene ende af rørledningen, båret med i strømmen, og derefter fjernet i den anden ende, give en fortegnelse over de forhold, de stødte på undervejs, herunder tilstedeværelsen af ​​forurenende stoffer, der kunne indikere placeringen af ​​problemområder. De oprindelige proof-of-concept-enheder havde ikke et tidskredsløb, der kunne indikere placeringen af ​​bestemte dataaflæsninger, men tilføjer, at det er en del af det igangværende arbejde.

Tilsvarende sådanne partikler kan potentielt bruges til diagnostiske formål i kroppen, for eksempel at passere gennem fordøjelseskanalen for at søge efter tegn på betændelse eller andre sygdomsindikatorer, siger forskerne.

De fleste konventionelle mikrochips, såsom siliciumbaseret eller CMOS, har en lejlighed, stift substrat og vil ikke fungere korrekt, når det er knyttet til kolloider, der kan opleve komplekse mekaniske belastninger, mens de rejser gennem miljøet. Ud over, alle sådanne chips er "meget energitørstige, " siger Strano. Derfor besluttede Koman at prøve todimensionelle elektroniske materialer, inklusive grafen og overgangsmetal dichalcogenider, som han fandt kunne være knyttet til kolloide overflader, forbliver i drift selv efter at være blevet sendt i luft eller vand. Og sådan tyndfilmselektronik kræver kun små mængder energi. "De kan drives af nanowatt med subvoltspændinger, " siger Koman.

Hvorfor ikke bare bruge 2D-elektronikken alene? Uden noget substrat til at bære dem, disse små materialer er for skrøbelige til at holde sammen og fungere. "De kan ikke eksistere uden et substrat, " siger Strano. "Vi er nødt til at pode dem til partiklerne for at give dem mekanisk stivhed og for at gøre dem store nok til at blive inddraget i strømmen."

Men 2-D materialerne "er stærke nok, robuste nok til at bevare deres funktionalitet selv på ukonventionelle substrater" såsom kolloiderne, siger Koman.

De nanoenheder, de producerede med denne metode, er autonome partikler, der indeholder elektronik til strømproduktion, beregning, logik, og hukommelseslagring. De er drevet af lys og indeholder bittesmå retroreflektorer, der gør det nemt at finde dem efter deres rejser. De kan derefter afhøres gennem sonder for at levere deres data. I det løbende arbejde, holdet håber at tilføje kommunikationsmuligheder, så partiklerne kan levere deres data uden behov for fysisk kontakt.

Andre bestræbelser på robotteknologi i nanoskala "har ikke nået det niveau" for at skabe kompleks elektronik, der er tilstrækkelig lille og energieffektiv til at blive aerosoliseret eller suspenderet i en kolloid væske. Disse er "meget smarte partikler, efter gældende standarder, " siger Strano, tilføjer, "Vi ser dette papir som introduktionen af ​​et nyt felt" inden for robotteknologi.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.