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如何大规模生产细胞大小的机器人

使用麻省理工学院研究人员开发的新方法可以大规模生产不超过细胞的微型机器人。该团队称之为“syncells”(合成细胞的简称)的微观设备最终可用于监测石油或天然气管道内的状况,或在血液漂浮时搜寻疾病。

制造这种微型设备的关键在于该团队开发的一种方法,用于控制原子级薄脆材料的天然压裂过程,引导断裂线,使它们产生可预测尺寸和形状的微小口袋。这些口袋内嵌的电子电路和材料可以收集,记录和输出数据。

今天在麻省理工学院教授迈克尔斯特拉诺,博士后刘平伟,研究生阿尔伯特刘和其他八人在麻省理工学院发表的论文“ 自然材料 ”杂志上发表了一篇名为“自动穿孔”的新工艺。

该系统使用称为石墨烯的二维碳形式,形成微小的syncells的外部结构。将一层材料铺设在表面上,然后通过精密的实验室版本的喷墨打印机沉积包含用于装置的电子器件的聚合物材料的微小点。然后,在顶部铺设第二层石墨烯。

受控压裂

斯特拉诺解释说,人们认为石墨烯是一种超薄但极其坚固的材料,因为它“松软”,但它实际上很脆弱。但是,团队并没有将脆弱性视为一个问题,而是认为可以利用它来发挥作用。

“我们发现你可以使用这种脆弱性,”斯特拉诺说,他是麻省理工学院化学工程的碳P. Dubbs教授。“这是违反直觉的。在这项工作之前,如果你告诉我你可以在纳米尺度上破碎一种材料来控制它的形状,我会不相信。“

但新系统正是这样做的。它控制着压裂过程,因此不会产生随机碎片的材料,如破碎窗户的残骸,而是产生均匀形状和大小的碎片。“我们发现,你可以施加一个应变场来引导骨折,你可以用它来控制制造,”斯特拉诺说。

当石墨烯的顶层放置在形成圆柱形状的聚合物点阵列上时,石墨烯覆盖在柱的圆形边缘上的位置在材料中形成高应变线。正如Albert Liu所描述的那样,“想象一下桌布慢慢地落在圆桌的表面上。人们可以很容易地看到朝向桌边的发展中的圆形应变,这非常类似于平板石墨片围绕这些印刷聚合物柱折叠时所发生的情况。

斯特拉诺说,因此,裂缝集中在这些边界上。“然后发生了一件非常令人惊奇的事情:石墨烯将完全断裂,但是裂缝将围绕支柱的周边进行引导。”结果是一块整齐的圆形石墨烯,看起来好像被一块干净的切割掉了。微孔打孔器。

因为在聚合物柱的上方和下方有两层石墨烯,所以两个所得的盘在其边缘处粘附以形成类似于小的皮塔饼面包口袋,其中聚合物密封在内部。斯特拉诺表示,“这里的优势在于,这基本上只是一步,”与其他工艺制造微型机器人设备所需的许多复杂的洁净室步骤形成鲜明对比。

研究人员还表明,除了石墨烯之外的其他二维材料,如二硫化钼和六方氮化硼,也可以起作用。

类似细胞的机器人

这些微小物体的大小与人体红细胞大小不等,大小约为10微米,大约是这个尺寸的10倍,它们的外观和行为就像一个活的生物细胞。事实上,在显微镜下,你可能会让大多数人相信它是一个细胞,“斯特拉诺说。

这项工作跟进斯特拉诺及其学生早期的研究,开发可以使用表面上的传感器收集有关其周围化学或其他属性的信息的syncells,并存储信息供以后检索,例如注入一群这样的粒子在管道的一端并在另一端检索它们以获得有关其内部条件的数据。虽然新的syncells还没有那些早期的功能,但它们是单独组装的,而这项工作展示了一种轻松大规模生产此类设备的方法。

Albert Liu表示,除了syncells用于工业或生物医学监测的潜在用途外,微型设备的制造方式本身也是一项具有巨大潜力的创新。“这种使用受控裂缝作为生产方法的一般程序可以扩展到许多长度尺度,”他说。“[它可能与......基本上一起使用的2-D材料一起使用,原则上允许未来的研究人员将这些原子薄的表面定制成任何所需的形状或形式,用于其他学科的应用。”

这就是Albert Liu所说的“目前唯一可用于生产大规模独立集成微电子技术的方法之一”,它可以作为独立的自由浮动设备。根据内部电子设备的性质,可以为设备提供移动,检测各种化学品或其他参数以及存储器存储的能力。

斯特拉诺说,这种细胞大小的机器人设备有很多潜在的新应用,他在与军事研究实验室专家肖恩沃尔什合着的一本书中详述了许多这样的可能用途,称之为“机器人系统和自治平台,“本月由Elsevier出版社出版。

作为演示,团队将字母M,I和T“写入”到同步器内的存储器阵列中,该存储器阵列将信息存储为不同的电导率水平。然后可以使用电探针“读取”该信息,表明该材料可以用作电子存储器的形式,数据可以随意写入,读取和擦除。它还可以在不需要电源的情况下保留数据,从而允许在以后收集信息。据斯特拉诺说,研究人员已经证明,即使在水中漂浮,这些粒子在几个月内仍然是稳定的,水是电子产品的一种刺激性溶剂。

“我认为它为微型和纳米加工开辟了一个全新的工具包,”他说。

乔治亚理工学院物理学教授丹尼尔·戈德曼(Daniel Goldman)没有参与这项工作,他说:“斯特拉诺教授所开发的技术有可能创造出微型智能设备,可以共同完成任务,单个粒子无法单独完成。 ”

除了Strano,现在在中国浙江大学的Pingwei Liu和Strano实验室的研究生Albert Liu,该团队还包括麻省理工学院研究生Jing Fan Yang,博士后Daichi Kozawa,Juyao Dong和Volodomyr Koman, Youngwoo Son PhD '16,研究会员Min Hao Wong,达特茅斯学院学生Max Saccone和访问学者Song Wang。这项工作得到了空军科学研究办公室和陆军研究办公室的支持,通过了麻省理工学院的士兵纳米技术研究所。

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