日本造出「准商業化」納米組裝機器人，並將迎來高速自動化生產

1959 年，理查德·費曼在加州理工學院美國物理學年會的演講--《物質底層大有空間》（There"s plenty room at the bottom）提出了在原子尺度上進行納米操作和裝配的可能性，以極高的前瞻性預言了 21 世紀各國爭相佔領的高地—— 納米技術。

圖 | 理查德·費曼

著名科學家錢學森也說過：「納米技術是二十一世紀科技發展的重點，會是一次技術革命，還會是一次產業革命。」

一直以來，科學家們也在不斷地拓展納米技術，一個重要方向正是納米機器人。

其中一類納米機器人指的是由納米或者分子級別的成分構成的、大小在 0.1-10 微米的納米機器人，另一類納米機器人指的是可以與納米級物體進行精確交互的納米操作機器人，今天要介紹的正是這一類機器人。

上個月的《自然·通訊》（Nature Communication）雜誌上，我們終於得以見識到一款稱得上是「神奇材料建造師」的納米操作機器人的尊容，日本東京大學工業科學研究所 ( Institute of Industrial Science, University of Tokyo)的研究者 Satoru Masubuchi、Tomoki Machida 及其同事研發的納米組裝機器人系統，已經非常接近商業化。

上周的《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）雜誌上則刊登了馬德里高級研究所 ( IMDEA) 的研究員 Riccardo Frisenda 和 Andres Castellanos-Gomez 的一篇關於這項研究的分析文章。他們認為，該納米機器人系統不僅改寫了納米技術研究的遊戲規則，還打開了大規模納米製造的前景。

相信近期看過「復聯3」 的讀者一定對鋼鐵俠的「新戰袍」 —— 納米機甲有印象，這款機甲的一大特點就是儲存了大量的納米機器人以便隨時修復機甲。雖然，此次論文研究的納米機器人系統並不能擔此重任，但是，它們同樣背負著一個重要使命—— 以遠超人類手工速度的效率實現范德華（vdW）異質結構的個性化製造，而范德華異質結構正是科學家夢寐以求的後摩爾時代的神奇材料。

這套「准商業化」的納米機器人系統提供了一種高效的實現複雜 vdW 異質結構個性化設計和自動化組裝的技術，有望進一步開發 vdW 異質結構的電子多樣性，實現新型功能性微電子及光電子器件的製造，以及揭示新的 2D 物理學機制。

打破瓶頸，衝擊後摩爾時代的材料夢

簡而言之，不同二維材料人工疊加在一起，就形成了 vdW 異質結構。這種結構本身就是新型人工材料，相當於「原子層面的樂高」（atomic-scale lego）。這種按需設計和疊加的人工結構極大地豐富了材料的屬性，因此被認為是自然界中並不存在但卻性能優異的神奇材料。

此前，DT 君報道的《 21歲MIT中國科學家連發兩篇《Nature》論文：室溫超導有望實現重大突破，石墨烯揭開其中「魔法」 | 獨家 》一文中，其實現突破的材料便是 vdW 異質結構。

圖 | 二維材料和范德華異質結構

試想一下，將性質迥異的不同二維材料堆疊在一起，就能創造出無限豐富的新材料和新物理特性，這使得vdW異質結構的吸引力遠高於二維材料本身，而這種技術也使得人類對材料的設計變得前所未有的簡單，甚至還發掘了許多新奇的物理現象：比如第一次觀察到了由 Hof-stadter預言的分形朗道量子化，還觀察到分形量子霍爾效應、高質量的量子震蕩、共振隧穿效應等。而這些僅僅是這種「原子層樂高」無限可能性中的冰山一角而已。

然而，能否以低成本、高效率批量化生產設計可控、結構複雜的 vdW 異質結構關係到其是否能夠在應用上有足夠的前景。

目前，這種神奇材料的製造仍嚴重依賴於人工操作實驗儀器，涉及非常多繁複的人工操作環節。因此，對 vdW 異質結構的研究正處於一個難以突破的瓶頸狀態：高複雜度需求與低製造可行性正在相互矛盾。顯然，要解決這個問題，需要技術上的突破。

研究者們已經提出了一些自動化技術，可是，受限於集成 vdW 異質結構製造、計算機視覺和機器人技術所面臨的重重技術障礙，目前還沒有實現真正的 vdW 異質結構自動化製造技術。

為了解決這個問題，科學家們將目光投向了納米機器人。此次日本研究者們開發的自動化納米機器人系統，最大的突破之一便在於能夠高效的自動識別並分類二維晶體，通過自動化轉移機械臂和壓印技術實現複雜的 vdW 超晶格組裝。

圖 | 29層G/hBN范德華超晶格結構及其層層疊加邊緣軌

而且，這套納米機器人該系統能夠以極小的誤差（

目前，利用該機器人系統能夠製造出由石墨烯和六方氮化硼交替疊加而組成的 29 層 G/hBN (石墨/六方氮化硼) 超晶格結構，打破了 2015 年 F. Withers 團隊創下的 13 層記錄。

拆解「神奇材料建造師」三大核心部分

那麼，這款納米機器人系統是如何實現這些驚人效果的？

答案在於其關鍵的三大組成部分：自動光學顯微鏡、晶元轉移機械臂以及壓印裝置。

圖 | 納米操作機器人系統

其中，自動光學顯微鏡負責對材料實現分類和識別。結合高效的計算機視覺演算法，自動顯微系統每小時能分析 12000 張光學圖像（每秒超過 3 張）以搜索和識別出機械剝離的二維材料薄片，並根據二維材料薄片的厚度進行分類。另外，識別出的二維晶體的位置坐標和形貌特徵都會存儲在後台資料庫，以便用戶訪問。系統還允許用戶提供個性化設計的材料層疊順序和方向。

值得一提的是，作者提出改進的圖像處理演算法，根據色彩對比和信息熵閾值兩條路徑對光學圖像進行搜索和識別，從而極大地降低了識別錯誤率。

圖 | 自動化搜索二維晶體

識別之後，系統會開始組裝。在組裝過程中，通過檢索資料庫並在機器視覺演算法的引導下，機器人系統會以特定順序挑選不同的二維晶體薄片，並通過晶元機械臂轉移。

圖 | 目標晶元轉移

圖 | 目標二維晶體片的對準、拾取與壓印

再通過壓印裝備上的聚合物印章以特定方向將二維晶體薄片按順序堆疊為複雜的 vdW 異質結構，同步不斷重複後兩個步驟，我們就能夠獲得多層 vdW 異質結構的製造。

圖 | 自動組裝流程

打開大規模納米製造的前景

本周的《自然·納米技術》的一篇關於這項研究的分析文章，更是用一個簡單的數學計算證明了這個納米機器人系統的商業化潛力：研究者需要花好幾天的手工組裝時間才能獲得 13 層 vdW 異質結構，而這款納米機器人系統僅需 32 小時就能組裝出 29 層 vdW 異質結構，而這還只是一個小小的開胃菜。

圖 | 這款納米機器人系統僅需 32 小時就能組裝出 29 層 vdW 異質結構。

Castellanos-Gomez 稱：「這款機器人系統所耗費的時間還有很大的提升空間。目前，限制速度的主要原因之一在於每一次轉移步驟都需要進行中斷以請求人類監督員的許可。這一人工監督步驟主要是為了校準機器人自動對準過程中產生的 10 微米誤差。 如果配合市場上已有的高精度移動平台（這種技術是現成的），就能省去這個人工監督步驟，我相信這將大大加快組裝進程。」

Castellanos-Gomez 認為，這個系統是實現從原子機械組裝分子的一種雛形。不同於製造業常用的「自頂向下」（top-down）的方法是由塊材進行減材來生產小器件，比如硅工業中從宏觀的晶片通過光刻等工藝獲得極微小的晶體管。在日本研究者開發的系機器人統中，他們採用的是「自下而上」（bottom-up）的方法，利用原子層厚度的二維材料層層堆疊而形成納米器件。

當然，也有一些自組裝的方法能夠形成層疊的 vdW 異質結構並且不需要人工的參與。然而，這些自組裝方法只能製造出簡單的具有 A-B-A-B-A-B 交疊層的異質結構。相比之下，機器人技術就可以很容易地生產出用戶自定義的任意的更複雜和更個性化的異質結構。

因此，這項工作的意義不僅在於發明了一種能減輕科研人員人力負擔的工具，還為製造複雜疊層異質結構和研究新的物理現象提供了可能性，而這是目前人工操作所不能實現的。並且，該系統還有利於納米器件的大規模集成，該過程涉及到精確的、可重複的二維材料薄片的自動化識別和堆疊。

當然，任何新技術的成熟都會伴有一些挑戰。

該系統仍舊面臨許多亟待解決的問題：如何去除人工監督校準步驟，實現轉移過程的完全自動化？目前的二維材料剝離以及最終產物轉移至目標基底等步驟還是暴露於空氣中，如何使整個工藝過程都處於環境可控的氛圍中？此外，雖然作者已經提供了非常全面的系統操作描述並且開源了所使用的軟體，還需要考慮進一步降低系統的操作複雜性以利於潛在用戶的使用。

圖 | 納米操作機器人

然而，儘管還有很多挑戰，該機器人系統是實現基於二維材料的任意複雜性納米器件的重要一步。

就目前而言，想要讓這個納米機器人系統不只成為實驗室廉價勞動力的替代，同時實現大規模納米製造的飛躍，研究者就必須證明其與化學氣相沉積（CVD）法大規模生長二維材料的兼容性。Castellanos-Gomez 說：「目前為止，已經證明了這項技術能夠很好地應用於機械剝離二維材料薄片的堆疊。雖然目前仍僅限於實驗室使用，但我認為在不久的將來將其用於 CVD 材料也不會有很大的技術難度。」

正如 Castellanos-Gomez 所說：「這個機器人系統看起來已經很接近商業化了」。

目前對於二維 vdW 材料的研究正處於升溫階段，隨著納米操作機器人自動化組裝技術的推廣，可以預見越來越多的 vdW 材料體系將進入我們的視野，更多的具有新奇和優異性能的材料有望問世。

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