MIT新突破：細胞大小的微型機器人可以感知周圍的環境

編譯：chux

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麻省理工學院的研究人員已經創造出了可能是目前最小的機器人，它們可以感知周圍的環境，存儲數據，甚至執行計算任務。這些設備的大小與人類卵細胞大小差不多，由二維材料製成的微型電子電路組成，它使用了一種叫做膠體的微小顆粒。

膠體是不溶的顆粒或分子，從十億分之一到百萬分之一米，它們很微小，可以無限期地懸浮在液體中或甚至在空氣中。通過將這些微小的物體耦合到複雜的電路，研究人員希望為可以分散的設備奠定基礎，通過從人體消化系統到石油和天然氣管道的任何東西進行診斷，或者是通過空氣來測量化學處理器或精鍊廠內部的化合物。

麻省理工學院化學工程學教授，該研究的高級作者Michael Strano解釋說，「我們想找出將電子電路完整的，原封不動移植到膠體顆粒上的方法，」該研究發表在「Nature Nanotechnology」雜誌上。麻省理工學院博士後Volodymyr Koman是論文的第一作者。

「膠體可以通過其他材料無法進入的環境和旅行，」斯特拉諾說。例如，灰塵顆粒可以無限地漂浮在空氣中，因為它們足夠小，以至於碰撞空氣分子所帶來的隨機運動比重力的拉力強。同樣，懸浮在液體中的膠體也永遠不會沉澱下來。

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研究人員在基板材料上製作了僅100微米的微小電子電路，然後將其溶解掉，使各個器件在溶液中自由浮動。

Strano表示，雖然其他團體致力於創造類似的微型機器人設備，但他們的重點一直是開發控制運動的方法，例如通過複製一些微生物有機體用來推動自己的尾狀鞭毛。但Strano認為這可能不是最富有成效的方法，因為鞭毛和其他細胞運動系統主要用於局部尺度定位，而不是用於顯著運動。在大多數情況下，使這些設備更具功能性比使它們移動更重要。

麻省理工學院團隊製造的微型機器人是自供電的，不需要外部電源甚至內置電池。一個簡單的光電二極體提供微小的機器人電路為其計算和存儲電路供電所需的電流。這足以讓他們感知有關他們環境的信息，將這些數據存儲在他們的記憶中，然後在完成任務後讀出數據。

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將電子電路與膠體顆粒組合的微觀裝置在腔室內霧化，然後引入待分析的物質，其中它可以與裝置相互作用。然後將這些裝置收集在表面的顯微鏡載玻片上，以便對它們進行測試。

Strano說，這些設備最終可能成為石油和天然氣行業的福音。目前，檢查管道泄漏或其他問題的主要方法是讓船員沿著管道物理驅動並用昂貴的儀器進行檢查。原則上，新設備可以插入管道的一端，與流體一起攜帶，然後在另一端移除，提供在途中遇到的條件的記錄，包括可能指示的污染物的存在問題區域的位置。最初的概念驗證設備沒有可以指示特定數據讀數位置的定時電路，但添加這些是正在進行的工作的一部分。

同樣，這些顆粒可能潛在地用於體內診斷，例如通過消化道尋找炎症跡象或其他疾病指標，研究人員說。

大多數傳統的微晶元，例如硅基或CMOS，具有平坦的剛性基板，並且當附著到膠體上時不能正常工作，膠體在穿過環境時會經歷複雜的機械應力。此外，所有這些晶元都「非常耗能」。這就是為什麼Koman決定試用二維電子材料，包括石墨烯和過渡金屬二硫化物，他發現這些材料可能附著在膠體表面，即使在被發射到空氣或水中之後仍然可以使用。這種薄膜電子設備只需要很少的能量。

為什麼不單獨使用2D電子設備？如果沒有一些基材來攜帶它們，這些微小的材料太脆弱而無法保持在一起並發揮作用。「如果沒有基質，它們就不可能存在，我們需要將它們接枝到顆粒上，使它們具有機械剛性，並使它們足夠大，以便夾帶在流動中。」

但Koman說，如膠體的2D材料「足夠堅固，具有足夠的魯棒性，即使在非常規基質上也能保持其功能」。

他們用這種方法生產的納米器件是自主粒子，包含用於發電，計算，邏輯和存儲器的電子器件。它們由光線驅動，並包含微小的後向反射器，可以在旅行後輕鬆定位。然後可以通過探針查詢它們以提供其數據。在正在進行的工作中，該團隊希望增加通信功能，以允許粒子在不需要物理接觸的情況下提供數據。

納米級機器人技術的其他努力尚未達到創造複雜電子器件的那種水平，所述複雜電子器件足夠小且能量有效以霧化或懸浮在膠體液體中。Strano表示，這些是非常聰明的粒子，且按照現行的標準，這篇論文是機器人技術的新領域。

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