Forskare vid MIT har skapat vad som kan vara de minsta robotarna hittills som kan känna av sin miljö, lagra data, och till och med utföra beräkningsuppgifter. Dessa enheter, som är ungefär lika stora som en mänsklig äggcell, består av små elektroniska kretsar gjorda av tvådimensionella material, piggybacking på små partiklar som kallas kolloider.

kolloider, vilka olösliga partiklar eller molekyler var som helst från en miljarddels till en miljondels meter i diameter, är så små att de kan förbli svävande på obestämd tid i en vätska eller till och med i luft. Genom att koppla dessa små föremål till komplexa kretsar, forskarna hoppas kunna lägga grunden för enheter som kan spridas för att utföra diagnostiska resor genom allt från det mänskliga matsmältningssystemet till olje- och gasledningar, eller kanske att sväva genom luften för att mäta föreningar inuti en kemisk processor eller raffinaderi.

"Vi ville ta reda på metoder för att transplantera komplett, intakta elektroniska kretsar på kolloidala partiklar, " förklarar Michael Strano, Carbon C. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT och senior författare till studien, som publicerades idag i tidskriften Naturens nanoteknik . MIT postdoc Volodymyr Koman är tidningens huvudförfattare.

"Kolloider kan komma åt miljöer och resa på sätt som andra material inte kan, " säger Strano. Dammpartiklar, till exempel, kan sväva i det oändliga i luften eftersom de är tillräckligt små för att de slumpmässiga rörelser som förmedlas av kolliderande luftmolekyler är starkare än tyngdkraften. Liknande, kolloider suspenderade i vätska kommer aldrig att sedimentera.

Strano säger att medan andra grupper har arbetat med att skapa liknande små robotenheter, deras tonvikt har legat på att utveckla sätt att kontrollera rörelser, till exempel genom att replikera de svansliknande flagellerna som vissa mikrobiella organismer använder för att driva sig själva. Men Strano antyder att det kanske inte är det mest fruktbara tillvägagångssättet, eftersom flageller och andra cellulära rörelsesystem främst används för lokal skala, snarare än för betydande rörelser. För de flesta ändamål, att göra sådana enheter mer funktionella är viktigare än att göra dem mobila, han säger.

Små robotar gjorda av MIT-teamet är självdrivna, kräver ingen extern strömkälla eller ens interna batterier. En enkel fotodiod ger den ström av elektricitet som de små robotarnas kretsar kräver för att driva sina beräknings- och minneskretsar. Det räcker för att låta dem känna information om sin miljö, lagra dessa data i deras minne, och sedan få informationen läsas upp efter att ha utfört sitt uppdrag.

Sådana enheter kan i slutändan vara en välsignelse för olje- och gasindustrin, säger Strano. För närvarande, det huvudsakliga sättet att kontrollera läckor eller andra problem i rörledningar är att låta en besättning fysiskt köra längs röret och inspektera det med dyra instrument. I princip, de nya enheterna kan sättas in i ena änden av rörledningen, bärs med i flödet, och sedan bort i andra änden, tillhandahålla en förteckning över de förhållanden som de stött på på vägen, inklusive förekomsten av föroreningar som kan indikera platsen för problemområden. De initiala proof-of-concept-enheterna hade inte en tidskrets som skulle indikera platsen för särskilda dataavläsningar, men att tillägga att det är en del av det pågående arbetet.

Liknande, sådana partiklar kan potentiellt användas för diagnostiska ändamål i kroppen, till exempel att passera genom matsmältningskanalen och leta efter tecken på inflammation eller andra sjukdomsindikatorer, säger forskarna.

De flesta konventionella mikrochips, som kiselbaserad eller CMOS, ha en lägenhet, styvt substrat och skulle inte fungera korrekt när det är fäst vid kolloider som kan utsättas för komplexa mekaniska påfrestningar när de färdas genom miljön. Dessutom, alla sådana chips är "mycket energitörstiga, " säger Strano. Det var därför Koman bestämde sig för att prova tvådimensionellt elektroniskt material, inklusive grafen och övergångsmetalldikalkogenider, som han fann kunde fästas på kolloida ytor, förblir i drift även efter att ha skjutits ut i luft eller vatten. Och sådan tunnfilmselektronik kräver bara små mängder energi. "De kan drivas av nanowatt med subvoltspänningar, " säger Koman.

Varför inte bara använda 2D-elektroniken ensam? Utan något substrat för att bära dem, dessa små material är för ömtåliga för att hålla ihop och fungera. "De kan inte existera utan ett substrat, ", säger Strano. "Vi måste ympa dem på partiklarna för att ge dem mekanisk styvhet och för att göra dem tillräckligt stora för att fångas in i flödet."

Men 2D-materialen "är tillräckligt starka, tillräckligt robusta för att behålla sin funktionalitet även på okonventionella substrat" ​​som kolloiderna, säger Koman.

Nanoenheterna de producerade med denna metod är autonoma partiklar som innehåller elektronik för kraftgenerering, beräkning, logik, och minneslagring. De drivs av ljus och innehåller små retroreflektorer som gör att de lätt kan lokaliseras efter deras resor. De kan sedan förhöras genom sonder för att leverera sina data. I pågående arbete, teamet hoppas kunna lägga till kommunikationsmöjligheter så att partiklarna kan leverera sina data utan behov av fysisk kontakt.

Andra ansträngningar inom nanoskala robotik "har inte nått den nivån" för att skapa komplex elektronik som är tillräckligt liten och energieffektiv för att aerosoliseras eller suspenderas i en kolloidal vätska. Dessa är "mycket smarta partiklar, enligt nuvarande standarder, " Strano säger, lägga till, "Vi ser detta papper som introduktionen av ett nytt område" inom robotik.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.