En elledande, miljökännande, formförändrande maskin storleken på en mänsklig cell? Är det ens möjligt?

Cornell-fysikerna Paul McEuen och Itai Cohen säger inte bara ja, men de har faktiskt byggt "muskeln" för en.

Med postdoktorn Marc Miskin vid rodret, teamet har tillverkat ett exoskelett av robotar som snabbt kan ändra sin form vid avkänning av kemiska eller termiska förändringar i sin miljö. Och, de hävdar, dessa mikroskalamaskiner – utrustade med elektroniska, fotoniska och kemiska nyttolaster – kan bli en kraftfull plattform för robotik i storleksskala av biologiska mikroorganismer.

"Du kan sätta beräkningskraften hos rymdskeppet Voyager på ett objekt som är lika stort som en cell, " sa Cohen. "Då, vart ska du utforska?"

"Vi försöker bygga vad man kan kalla ett "exoskelett" för elektronik, sa McEuen, John A. Newman professor i fysikalisk vetenskap och chef för Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science. "Just nu, du kan göra små datorchips som gör mycket informationsbehandling ... men de vet inte hur de ska röra sig eller få något att böjas."

Deras arbete beskrivs i "Graphene-based Bimorphs for Micron-sized, Autonoma Origami-maskiner, " publicerad 2 januari in Proceedings of the National Academy of Sciences . Miskin är huvudförfattare; andra bidragsgivare inkluderade David Muller, Samuel B. Eckert professor i teknik, och doktorander Kyle Dorsey, Baris Bircan och Yimo Han.

Maskinerna rör sig med en motor som kallas bimorf. En bimorf är en sammansättning av två material – i det här fallet, grafen och glas – som böjs när det drivs av en stimulans som värme, en kemisk reaktion eller en pålagd spänning. Formförändringen sker eftersom, vid värme, två material med olika termiska svar expanderar olika mycket under samma temperaturförändring.

Som en konsekvens, bimorfen böjer sig för att lindra en del av denna påfrestning, låter ett lager sträcka ut längre än det andra. Genom att lägga till styva platta paneler som inte kan böjas av bimorfer, forskarna lokaliserar att böjning endast sker på specifika platser, skapa veck. Med detta koncept, de kan göra en mängd olika vikningsstrukturer, allt från tetraedrar (triangulära pyramider) till kuber.

När det gäller grafen och glas, bimorferna viker sig också som svar på kemiska stimuli genom att driva in stora joner i glaset, får den att expandera. Vanligtvis inträffar denna kemiska aktivitet endast på ytterkanten av glas när det är nedsänkt i vatten eller någon annan jonisk vätska. Eftersom deras bimorf är bara några nanometer tjock, glaset är i princip helt utvändigt och mycket reaktivt.

"Det är ett snyggt trick, " sa Miskin, "eftersom det är något du bara kan göra med dessa nanoskalasystem."

Bimorfen är byggd med atomlageravsättning - kemiskt "målning" av atomärt tunna lager av kiseldioxid på aluminium över ett täckglas - sedan våtöverföring av ett enda atomlager av grafen ovanpå stapeln. Resultatet är den tunnaste bimorf som någonsin gjorts.

En av deras maskiner beskrevs som "tre gånger större än en röd blodkropp och tre gånger mindre än en stor neuron" när den viks. Fällbara ställningar av denna storlek har byggts tidigare, men denna grupps version har en klar fördel.

"Våra enheter är kompatibla med halvledartillverkning, ", sa Cohen. "Det är det som gör det här kompatibelt med vår framtida vision för robotteknik i denna skala."

Och på grund av grafens relativa styrka, Miskin sa, den kan hantera de typer av belastningar som krävs för elektroniktillämpningar.

"Om du vill bygga detta elektronikexoskelett, " han sa, "du behöver den för att kunna producera tillräckligt med kraft för att bära elektroniken. Vår gör det."

Tills vidare, dessa minsta små maskiner har ingen kommersiell tillämpning inom elektronik, biologisk avkänning eller något annat. Men forskningen driver vetenskapen om robotar i nanoskala framåt, sa McEuen.

"Just nu, det finns inga "muskler" för småskaliga maskiner, " han sa, "så vi bygger de småskaliga musklerna."