Sådan masseproduceres robotter i celleformat

Små robotter, der ikke er større end en celle, kunne masseproduceres ved hjælp af en ny metode udviklet af forskere ved MIT. De mikroskopiske enheder, som teamet kalder "synceller" (forkortelse for syntetiske celler), kan i sidste ende bruges til at overvåge forholdene inde i en olie- eller gasledning, eller at søge sygdom, mens den flyder gennem blodbanen.

Nøglen til at lave sådanne små enheder i store mængder ligger i en metode, teamet udviklede til at kontrollere den naturlige fraktureringsproces af atom-tynde, sprøde materialer, styre brudlinjerne, så de producerer små lommer af en forudsigelig størrelse og form. Inde i disse lommer er elektroniske kredsløb og materialer, der kan indsamle, optage, og output data.

Den nye proces, kaldet "autoperforation, "er beskrevet i et papir, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturmaterialer , af MIT professor Michael Strano, postdoc Pingwei Liu, kandidatstuderende Albert Liu, og otte andre på MIT.

Systemet anvender en todimensionel carbonform kaldet grafen, som danner den ydre struktur af de små synceller. Et lag af materialet lægges på en overflade, derefter små prikker af et polymermateriale, indeholdende elektronikken til enhederne, deponeres af en sofistikeret laboratorieversion af en inkjetprinter. Derefter, et andet lag grafen lægges ovenpå.

Kontrolleret brud

Folk tænker på grafen, et ultratyndt men ekstremt stærkt materiale, som værende "floppy, "men det er faktisk skørt, Forklarer Strano. Men i stedet for at betragte den skørhed som et problem, holdet fandt ud af, at det kunne bruges til deres fordel.

"Vi opdagede, at du kan bruge skørheden, "siger Strano, hvem er Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT. "Det er kontraintuitivt. Før dette arbejde, hvis du fortalte mig, at du kunne bryde et materiale for at kontrollere dets form på nanoskalaen, Jeg ville have været vantro. "

Men det nye system gør netop det. Det styrer brudprocessen, så i stedet for at generere tilfældige skår af materiale, som resterne af et ødelagt vindue, det producerer stykker af ensartet form og størrelse. "Det, vi opdagede, er, at du kan pålægge et belastningsfelt for at få bruddet til at blive styret, og du kan bruge det til kontrolleret fremstilling, "Siger Strano.

Når det øverste lag af grafen er placeret over rækken af ​​polymerprikker, som danner runde søjleformer, de steder, hvor grafen forhænger over søjlernes runde kanter, danner linjer med stor belastning i materialet. Som Albert Liu beskriver det, "forestil dig en dug, der falder langsomt ned på overfladen af ​​et cirkulært bord. Man kan meget let visualisere den udviklende cirkulære belastning mod bordkanterne, og det er meget analogt med, hvad der sker, når et fladt ark grafen folder sig om disse trykte polymersøjler. "

Som resultat, bruddene er koncentreret lige langs disse grænser, Siger Strano. "Og så sker der noget temmelig fantastisk:Graphen vil gå helt i stykker, men bruddet vil blive guidet rundt i søjlens periferi. "Resultatet er et pænt, runde stykke grafen, der ser ud som om det var rent skåret ud af en mikroskopisk hulning.

Fordi der er to lag grafen, over og under polymersøjlerne, de to resulterende diske klæber til i deres kanter for at danne noget som en lille pitabrødslomme, med polymeren forseglet indeni. "Og fordelen her er, at dette i det væsentlige er et enkelt trin, "i modsætning til mange komplekse renrumstrin, der er nødvendige i andre processer for at forsøge at lave mikroskopiske robotudstyr, Siger Strano.

Forskerne har også vist, at andre todimensionelle materialer ud over grafen, såsom molybdendisulfid og sekskantet boronitrid, fungere lige så godt.

Cellelignende robotter

I størrelse fra en menneskelig rød blodcelle, cirka 10 mikrometer på tværs, op til cirka 10 gange den størrelse, disse små objekter "begynder at se ud og opføre sig som en levende biologisk celle. Faktisk er under et mikroskop, du kunne sikkert overbevise de fleste mennesker om, at det er en celle, "Siger Strano.

Dette arbejde følger op på tidligere undersøgelser foretaget af Strano og hans elever om udvikling af synceller, der kunne indsamle oplysninger om kemien eller andre egenskaber i deres omgivelser ved hjælp af sensorer på deres overflade, og gemme oplysningerne til senere hentning, for eksempel at injicere en sværm af sådanne partikler i den ene ende af en rørledning og hente dem i den anden for at få data om forholdene inde i den. Selvom de nye synceller endnu ikke har så mange muligheder som de tidligere, de blev samlet individuelt, der henviser til, at dette arbejde demonstrerer en måde til let at masseproducere sådanne enheder.

Bortset fra syncellernes potentielle anvendelser til industriel eller biomedicinsk overvågning, måden de små enheder er lavet på, er i sig selv en innovation med stort potentiale, ifølge Albert Liu. "Denne generelle procedure for anvendelse af kontrolleret brud som produktionsmetode kan udvides over mange længder, "siger han." [Det kan muligvis bruges sammen med] i det væsentlige ethvert valg af 2-D materialer, i princippet tillader fremtidige forskere at skræddersy disse atomisk tynde overflader til enhver ønsket form eller form til applikationer i andre discipliner. "

Dette er, Albert Liu siger, "en af ​​de eneste tilgængelige måder lige nu til at producere enkeltstående integreret mikroelektronik i stor skala", der kan fungere som uafhængig, frit svævende enheder. Afhængigt af elektronikkens art indeni, enhederne kan forsynes med bevægelsesmuligheder, påvisning af forskellige kemikalier eller andre parametre og hukommelseslagring.

Der er en bred vifte af potentielle nye applikationer til sådanne robotstørrelser i celleformat, siger Strano, der beskriver mange sådanne mulige anvendelser i en bog, han var medforfatter til med Shawn Walsh, en ekspert ved Army Research Laboratories, på emnet, kaldet "Robotsystemer og autonome platforme, ", der udgives i denne måned af Elsevier Press.

Som en demonstration, holdet "skrev" bogstaverne M, JEG, og T ind i et hukommelsesarray inden for en syncelle, som gemmer oplysningerne som varierende niveauer af elektrisk ledningsevne. Disse oplysninger kan derefter "læses" ved hjælp af en elektrisk sonde, viser, at materialet kan fungere som en form for elektronisk hukommelse, som data kan skrives ind i, Læs, og slettes efter behag. Det kan også gemme dataene uden behov for strøm, gør det muligt at indsamle oplysninger på et senere tidspunkt. Forskerne har demonstreret, at partiklerne er stabile over en periode på måneder, selv når de flyder rundt i vand, som er et hårdt opløsningsmiddel til elektronik, ifølge Strano.

"Jeg tror, ​​det åbner et helt nyt værktøjskasse til mikro- og nanofabrikation, " han siger.