Små robotar som inte är större än en cell kunde masstillverkas med en ny metod utvecklad av forskare vid MIT. De mikroskopiska enheterna, som teamet kallar "synceller" (förkortning för syntetiska celler), så småningom kan användas för att övervaka förhållandena inuti en olje- eller gasledning, eller att söka upp sjukdomar medan de flyter genom blodomloppet.

Nyckeln till att göra sådana små enheter i stora mängder ligger i en metod som teamet utvecklat för att kontrollera den naturliga sprickprocessen av atomärt tunna, spröda material, riktar frakturlinjerna så att de producerar små fickor av en förutsägbar storlek och form. Inbäddade i dessa fickor finns elektroniska kretsar och material som kan samla in, spela in, och utdata.

Den nya processen, kallas "autoperforering, " beskrivs i en tidning som publicerades i dag i tidskriften Naturmaterial , av MIT professor Michael Strano, postdoc Pingwei Liu, doktorand Albert Liu, och åtta andra vid MIT.

Systemet använder en tvådimensionell form av kol som kallas grafen, som bildar den yttre strukturen av de små syncellerna. Ett lager av materialet läggs på en yta, sedan små prickar av ett polymermaterial, som innehåller elektroniken för enheterna, deponeras av en sofistikerad laboratorieversion av en bläckstråleskrivare. Sedan, ett andra lager grafen läggs ovanpå.

Kontrollerad frakturering

Folk tänker på grafen, ett ultratunt men extremt starkt material, som "floppy, "men det är faktiskt skört, Strano förklarar. Men istället för att betrakta den skörheten som ett problem, laget kom på att det kunde användas till deras fördel.

"Vi upptäckte att du kan använda sprödheten, säger Strano, som är Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT. "Det är kontraintuitivt. Innan detta arbete, om du sa till mig att du kunde spricka ett material för att kontrollera dess form på nanoskala, Jag skulle ha varit osäker."

Men det nya systemet gör just det. Den styr sprickprocessen så att istället för att generera slumpmässiga skärvor av material, som resterna av ett krossat fönster, det producerar bitar av enhetlig form och storlek. "Vad vi upptäckt är att du kan lägga på ett töjningsfält för att få frakturen att styras, och du kan använda det för kontrollerad tillverkning, " säger Strano.

När det översta lagret av grafen placeras över raden av polymerprickar, som bildar runda pelare, platserna där grafenen draperar över pelarnas runda kanter bildar linjer av hög belastning i materialet. Som Albert Liu beskriver det, "föreställ dig en bordsduk som sakta faller ner på ytan av ett cirkulärt bord. Man kan mycket enkelt visualisera den växande cirkulära spänningen mot bordskanterna, och det är mycket analogt med vad som händer när ett platt ark av grafen viks runt dessa tryckta polymerpelare."

Som ett resultat, frakturerna är koncentrerade längs dessa gränser, säger Strano. "Och sedan händer något ganska fantastiskt:grafenet kommer att spricka helt, men brottet kommer att styras runt pelarens periferi." Resultatet är en snygg, rund bit grafen som ser ut som om den hade skurits ut rent av en mikroskopisk hålstans.

Eftersom det finns två lager grafen, ovanför och under polymerpelarna, de två resulterande skivorna fäster vid sina kanter för att bilda något som liknar en liten pitabrödficka, med polymeren förseglad inuti. "Och fördelen här är att detta i huvudsak är ett enda steg, "i motsats till många komplexa renrumssteg som behövs av andra processer för att försöka göra mikroskopiska robotenheter, säger Strano.

Forskarna har också visat att andra tvådimensionella material förutom grafen, såsom molybdendisulfid och hexagonal boronitrid, fungera lika bra.

Cellliknande robotar

Varierar i storlek från den hos en mänsklig röda blodkropp, cirka 10 mikrometer tvärs över, upp till cirka 10 gånger den storleken, dessa små föremål "börjar se ut och bete sig som en levande biologisk cell. Faktum är att under ett mikroskop, du skulle förmodligen kunna övertyga de flesta att det är en cell, " säger Strano.

Detta arbete följer upp tidigare forskning av Strano och hans studenter om att utveckla synceller som kan samla information om kemin eller andra egenskaper hos deras omgivning med hjälp av sensorer på deras yta, och lagra informationen för senare hämtning, till exempel att injicera en svärm av sådana partiklar i ena änden av en pipeline och hämta dem i den andra för att få information om förhållandena inuti den. Även om de nya synkroniseringarna ännu inte har lika många funktioner som de tidigare, de monterades individuellt, Detta arbete visar ett sätt att enkelt massproducera sådana anordningar.

Förutom syncellernas potentiella användningsområden för industriell eller biomedicinsk övervakning, hur de små enheterna tillverkas är i sig en innovation med stor potential, enligt Albert Liu. "Denna allmänna procedur med att använda kontrollerad fraktur som produktionsmetod kan utvidgas över många längdskalor, " säger han. "[Det skulle potentiellt kunna användas med] i princip vilket 2D-material som helst, i princip tillåter framtida forskare att skräddarsy dessa atomärt tunna ytor till valfri form eller form för tillämpningar inom andra discipliner."

Detta är, Albert Liu säger, "ett av de enda tillgängliga sätten just nu för att producera fristående integrerad mikroelektronik i stor skala" som kan fungera som oberoende, fritt flytande anordningar. Beroende på typen av elektronik inuti, enheterna skulle kunna förses med rörelseförmåga, detektering av olika kemikalier eller andra parametrar, och minneslagring.

Det finns ett brett utbud av potentiella nya tillämpningar för sådana robotenheter i cellstorlek, säger Strano, som beskriver många sådana möjliga användningsområden i en bok som han skrev tillsammans med Shawn Walsh, en expert på Army Research Laboratories, om ämnet, kallas "Robotiska system och autonoma plattformar, " som publiceras denna månad av Elsevier Press.

Som en demonstration, laget "skrev" bokstäverna M, jag, och T till en minnesmatris i en synkronisering, som lagrar informationen som olika nivåer av elektrisk ledningsförmåga. Denna information kan sedan "läsas" med hjälp av en elektrisk sond, visar att materialet kan fungera som en form av elektroniskt minne i vilket data kan skrivas, läsa, och raderas efter behag. Den kan också behålla data utan behov av ström, så att information kan samlas in vid ett senare tillfälle. Forskarna har visat att partiklarna är stabila under en period av månader även när de flyter runt i vatten, som är ett hårt lösningsmedel för elektronik, enligt Strano.

"Jag tror att det öppnar upp en helt ny verktygslåda för mikro- och nanotillverkning, " han säger.