(Phys.org)—Tillverkare av små rörliga maskiner—den sort som är intresserade av nanotillverkning och montering samt andra användningsområden—vet du var dina mikro- och nanorobotar verkligen finns?

Vill du satsa?

Ett team av forskare vid National Institute of Standards and Technology skulle sannolikt segra i en sådan hypotetisk satsning. På grundval av dess överraskande resultat i en krävande studie av rörelserna hos ett experimentellt mikroelektromekaniskt system (MEMS), laget kan till och med erbjuda bättre än jämna odds.

Gruppen spårade, för första gången, steg-för-steg-rörelsen av en MEMS-enhet av standardtyp som kallas "scratch drive actuator, " en mikromaskin (120 mikrometer bred, 50 mikrometer lång, och 1,5 mikrometer tjock) som drar sig över en yta genom att upprepade gånger böja och slappna av en liten krokig arm. Med hjälp av en ny mätmetod anpassad från biofysikforskning med en enda molekyl, forskarna spårade och mätte vart och ett av enhetens 500 steg längs en 20 mikrometers bana. De fann att de inkrementella rörelserna varierade avsevärt, från bara några nanometer (nm) till nästan 100 nm.

Denna markanta variation i stegstorlekar var "oväntad, " säger Craig McGray, tidningens första författare. Vanligtvis, MEMS-forskare har beräknat en genomsnittlig stegstorlek, härledd från den totala sträckan som en enhet tillryggalagt under många driftscykler. Det resulterande medelvärdet visar inte variabiliteten av stegstorlekarna, medan enkla modeller av enhetens beteende har förmedlat intrycket av att enheterna rör sig i enhetliga steg.

Istället, McGray förklarar, "Vår metod avslöjade mycket oregelbundna stegstorlekar, som varken hade observerats tidigare eller förutspåtts av etablerade modeller av MEMS-beteende."

I deras proof-of-concept-experiment, NIST-teamet märkte ytan på ett scratch-drivdon med fluorescerande nanopartiklar. Under ett fluorescensmikroskop, nanopartiklarna dök upp som ljuspunkter i en stjärnliknande konstellation. Positionen för varje ljuspunkt mättes med mycket hög noggrannhet, återger motsvarigheten till en serie konstellationskartor och fångar enhetens position och orientering när den rörde sig över en yta.

Före och efter varje steg på enheten längs vägen, två bilder av stjärnbilden togs. Datan krossades sedan för att bestämma steg-för-steg steg och rotationer, och osäkerheten i båda värdena.

Med sitt innovativa tillvägagångssätt, NIST-teamet beräknade både storleken på varje rörelse inom 1,85 nm, (mindre än bredden på en DNA-sträng) och förändringen i enhetens orientering, också till en ytterst låg osäkerhet. Istället för en rak linje som består av jämnt fördelade punkter, enheten tog en något ojämn rutt som böjde sig något, med varje steg varierande i längd och orientering.

I ett efterföljande test, forskarna mätte ett andra ställdon för repor som tillverkats av samma tillverkare. Resultaten skilde sig också oväntat och signifikant, som indikeras av en skillnad på 26,3 nm i genomsnittliga stegstorlekar.

Även när de arbetar med att förfina sin metod för superupplösning fluorescensmikroskopi, teamet tror att metoden kan vara allmänt användbar inom området för extremt små elektromekaniska system.