細胞大小的機器人可以感知他們的環境

麻省理工學院的研究人員創造了可能是最小的機器人，可以感知他們的環境，存儲數據，甚至執行計算任務。這些裝置的大小與人類卵細胞大小相當，由二維材料制成的微小電子電路組成，捎帶在稱為膠體的微小顆粒上。

膠體是不溶的顆粒或分子，從十億分之一到百萬分之一米，它們很小，可以無限期地懸浮在液體中或甚至在空氣中。通過將這些微小的物體耦合到復雜的電路，研究人員希望為可以分散的設備奠定基礎，通過從人體消化系統到石油和天然氣管道的任何東西進行診斷，或者通過空氣來測量內部的化合物化學處理器或煉油廠。

“我們想找出將完整的，完整的電子電路移植到膠體顆粒上的方法，”麻省理工學院化學工程學的碳C. Dubbs教授，該研究的高級作者Michael Strano解釋說，該研究發表在今天的“ 自然納米技術 ”雜志上。。麻省理工學院博士后Volodymyr Koman是論文的第一作者。

“膠體可以通過其他材料無法進入的環境和旅行，”斯特拉諾說。例如，灰塵顆粒可以無限地漂浮在空氣中，因為它們足夠小，以至于碰撞空氣分子所帶來的隨機運動比重力的拉力更強。同樣，懸浮在液體中的膠體也永遠不會沉淀下來。

研究人員在基板材料上制作了僅100微米的微小電子電路，然后將其溶解掉，使各個器件在溶液中自由浮動。這些隨后附著在微小的膠體顆粒上。(由研究人員提供)

斯特拉諾說，雖然其他團體致力于創造類似的微型機器人設備，但他們的重點是開發控制運動的方法，例如通過復制一些微生物有機體用來推動自己的尾狀鞭毛。但斯特拉諾認為這可能不是最富有成效的方法，因為鞭毛和其他細胞運動系統主要用于局部尺度定位，而不是用于顯著運動。他說，在大多數情況下，使這些設備更具功能性比使它們移動更重要。

麻省理工學院團隊制造的微型機器人是自供電的，不需要外部電源甚至內置電池。一個簡單的光電二極管提供微小的機器人電路為其計算和存儲電路供電所需的電流。這足以讓他們感知有關他們環境的信息，將這些數據存儲在他們的記憶中，然后在完成任務后讀出數據。

將電子電路與膠體顆粒組合的微觀裝置在腔室內霧化，然后引入待分析的物質，其中它可以與裝置相互作用。然后將這些裝置收集在表面上的顯微鏡載玻片上，以便對它們進行測試。(由研究人員提供)

Strano說，這些設備最終可能成為石油和天然氣行業的福音。目前，檢查管道泄漏或其他問題的主要方法是讓船員沿著管道物理驅動并用昂貴的儀器進行檢查。原則上，新設備可以插入管道的一端，與流體一起攜帶，然后在另一端移除，提供他們在途中遇到的條件的記錄，包括可能指示的污染物的存在問題區域的位置。最初的概念驗證設備沒有可以指示特定數據讀數位置的定時電路，但添加這些是正在進行的工作的一部分。

同樣，這些顆粒可能潛在地用于體內診斷，例如通過消化道尋找炎癥跡象或其他疾病指標，研究人員說。

大多數傳統的微芯片，例如硅基或CMOS，具有平坦的剛性基板，并且當附著到膠體上時不能正常工作，膠體在穿過環境時會經歷復雜的機械應力。此外，所有這些芯片都“非常耗能，”斯特拉諾說。這就是為什么Koman決定嘗試二維電子材料，包括石墨烯和過渡金屬二硫化物，他發現這些材料可以附著在膠體表面，即使在被發射到空氣或水中之后仍然可以使用。這種薄膜電子設備只需要很少的能量。“它們可以通過具有低電壓的納瓦級電源供電，”科曼說。

為了證明這些粒子如何用于測試生物樣本，該團隊在葉子上放置了一個包含這些設備的解決方案，然后使用設備的內部反射器通過在葉子上照射激光來定位它們進行測試。(由研究人員提供)

為什么不單獨使用2-D電子設備?如果沒有一些基材來攜帶它們，這些微小的材料太脆弱而無法保持在一起并發揮作用。“如果沒有基質，它們就不可能存在，”斯特拉諾說。“我們需要將它們接枝到顆粒上，使它們具有機械剛性，并使它們足夠大，以便夾帶在流動中。”

但Koman說，2-D材料“足夠堅固，足夠堅固，即使在非常規基質上也能保持其功能”，如膠體。

他們用這種方法生產的納米器件是自主粒子，包含用于發電，計算，邏輯和存儲器的電子器件。它們由光線驅動，并包含微小的后向反射器，可以在旅行后輕松定位。然后可以通過探針查詢它們以提供其數據。在正在進行的工作中，該團隊希望增加通信功能，以允許粒子在不需要物理接觸的情況下提供數據。

納米級機器人技術的其他努力“尚未達到”創造復雜電子器件的那種水平，所述復雜電子器件足夠小且能量有效以霧化或懸浮在膠體液體中。斯特拉諾說，這些是“非常聰明的粒子，按照現行標準”，并補充說，“我們認為這篇論文是機器人領域的新領域”。