Små flytande robotar kan vara användbara på alla möjliga sätt, till exempel, att undersöka människans tarm efter sjukdomar eller att söka i miljön efter föroreningar. I ett steg mot sådana enheter, forskare beskriver ett nytt äktenskap av material, kombinerar ultratunn 2D-elektronik med miniatyrpartiklar för att skapa mikroskopiska maskiner.

Forskarna kommer att presentera sitt arbete i dag vid det 255:e nationella mötet och utställningen av American Chemical Society (ACS).

"Du kan göra elektroniska kretsar som är en enda atom tjocka, som bara är galet tunn, "Michael Strano, Ph.D., säger. "En kreativ användning som ingen har tänkt på förrän nu är att ta den här elektroniken och ympa dem på en kolloidal partikel. Partikeln, som kan sväva i luften som en dammfläck, har enkla beräkningsfunktioner. Du kan ta med den här nya elektroniken till miljöer som de annars inte hade tillgång till."

Som ett första steg, forskarna behövde utveckla en kompatibel uppsättning elektroniska komponenter för partikelns beläggning för att bilda en sluten autonom krets. "Det här var svårt att göra, " säger Volodymyr Koman, Ph.D., en forskare i Stranos grupp vid Massachusetts Institute of Technology. "Vi gick igenom ett antal olika enheter för att uppfylla vissa kraft- och energikrav."

I slutet, Stranos team valde ett biokompatibelt material, SU-8, för de mikrometerstora partiklarna och etsade dem litografiskt för att skapa en sluten krets bestående av en strömkälla, en detektor och en minnesenhet. Strömkällan var en p-n heterojunction av MoS2 och WSe2 som kan omvandla ljus till elektrisk ström. Både MoS2 och WSe2 är 2D-halvledare. Detektorn var en kemimotstånd, ett distinkt enda lager av MoS2, utformad för att ändra dess elektriska motstånd som svar på en miljöpåverkan. Den elektriska utsignalen lagras i en minnesenhet som består av ett separat lager av MoS2-flingor mellan guld- och silverelektroder.

Eftersom partikelrörlighet och stabilitet skulle vara en viktig del av de föreslagna tillämpningarna, forskarna kontrollerade först om och hur långt de elektroniska partiklarna kunde färdas. Viktigt, 2D-material har högre töjningsgränser jämfört med liknande material. Forskarna aerosoliserade dem och drev dem mot ett mål; de små partiklarna flög ett par fot.

Forskarna föreställer sig en rad användningsområden för dessa miniatyrflygmaskiner. Övervaka stora områden för bakterier, sporer, rök, damm eller giftiga ångor kräver för närvarande enorma resurser, säger Koman. Satelliter eller en flotta av flygande drönare kan göra dessa uppgifter men de är dyra, medan sensorer på marken kräver arbetskrävande installation, vilket ofta är långsamt i jämförelse med aerosolens spridningshastighet. "Som ett alternativ, vi introducerar konceptet med en aerosoliserbar elektronisk enhet, " säger han. Som ett exempel, forskarna testade de små enheterna i en simulerad gasledning. De flygande maskinerna seglade framgångsrikt genom testkammaren och upptäckte förekomsten av kolpartiklar eller flyktiga organiska föreningar längs vägen och lagrade denna information i minnet.

"Vi sätter små retroreflektorer på partiklarna - som du har på dina cyklar - så att de reflekterar ljus och gör att vi snabbt kan hitta partiklarna, " säger Koman. Efter fångst, forskarna laddade ner informationen från partiklarna. "För avläsning, partiklarna har angivna metalliska anslutningar, som ett uttag:När du sätter in två sonder, du kan läsa ut enhetens tillstånd." Minnet kan sedan torkas så att miniatyrmaskinerna kan återanvändas.

Forskarnas nästa steg är att utveckla partiklar för ytterligare tillämpningar, inklusive som övervakare av det mänskliga matsmältningssystemet. "Det här är rätt idé och rätt tid, " säger Strano. "Tänk på dessa som proto-robotar."