中美學者規模化研製細胞大小的膠體機器人
撰文 | 柯溢能
機器人正變得越來越小型化，浙江大學與麻省理工學院的學者近日成功設計出了細胞體大小的機器人，其能夠攜帶和收集周遭體內環境的數據，幫助人們監控健康狀況甚至攜帶藥物。這項研究以封面文章的形式被《自然材料》（Nature Materials）報道。
像包餃子一樣製作出首個膠體機器人
要製造出膠體機器人，課題組主要克服的兩個方面的難題：傳統自上而下的光刻技術不適用於膠體體系的規模加工和生產，以及原子厚度的石墨烯等二維材料薄而脆斷裂行為難以控制。
浙江大學化工學院劉平偉研究員和麻省理工學院的Michael S. Strano課題組合作首創了一種全新的微納加工技術—自動穿孔（autoperforation）納米加工技術，解決了上述兩個挑戰。
該技術是一種基於二維材料可控斷裂的加工手段，通過噴墨列印在二維材料表面構建由聚合物或聚合物納米複合物的顆粒陣列，接著將另一種二維材料覆蓋在該陣列表面，形成夾層結構。利用這種方法，可以定製得到殼層是連續二維材料，內核為列印材料的特殊微粒。在加工方法可以精確的控制粒子殼層的二維材料種類、表面官能團、內核組成、顆粒形狀和大小等多個方面。劉平偉介紹，自動打孔技術的操作條件簡單，不需要使用成本高昂、操作複雜的無塵室。
什麼是二維材料？一種超薄的、只具有單層或者少數幾層原子或分子厚的片狀納米材料，其在Z軸上電子運動受限，有著特殊的光電性能，同時還具有很好的化學和機械穩定性，石墨烯是一種典型二維材料。
劉平偉研究員認為該整個製作過程有些類似於「包餃子」，但不同的是一次能批量製備大量的「餃子」，由於石墨烯或者其它二維材料很薄且脆，其加工操作過程中一般需要襯底材料支撐，如聚合物層。通過利用化學氣相沉積法生產的大面積、高質量的二維材料並將其轉移到聚合物膜材上可以製得大面積的「餃子皮」，通過噴墨列印的方式可製作由納米顆粒組成的「餡料」（微粒）陣列。利用兩張「餃子皮」，可將該「餡料」陣列包裹起來。。最後通過選擇性的將聚合物膜材溶解，石墨烯或者其它二維材料將自然地貼合到「餡料」上，並且在「餡料」的引導下實先自動穿孔切割，批量製得到含有二維材料表皮，納米顆粒複合而成的內核的微粒。通過這種自穿孔納米加工技術可以製得尺寸從約10微米到100微米左右的微粒，他們類似於人體紅細胞，在顯微鏡下，具有像活的生物細胞類似的獨立、自由浮動行為，可通過磁場驅動，因此也可以視作微粒機器人。
該自動穿孔納米加工技術的獨特之處就是利用了二維材料如石墨烯本徵的脆性以及通過施加特定的局部應力場可引導二維材料的可控斷裂，進而製得形狀和大小可控的二維碎片。例如，理論模擬發現，當石墨烯包裹層附著在具有一定高度的圓柱形狀的聚合物粒子上時，處於圓柱邊緣的石墨烯會出現應力集中的現象，從而形成環嚮應力場，該過程就像一塊桌布慢慢地落在一張圓形桌子上，桌子邊緣會發展產生環形應變場。
這個機器人可在封閉環境」上天入地「
膠囊機器人的「細胞膜」有了，從此細胞內外就有了明顯的界限，科學家們可以通過對細胞膜材料以及列印納米材料的調控，實現多種不同的功能集成。
劉平偉介紹，這種機器人獨特的微觀結構以及二維材料的引入，賦予了這些「微粒特殊的電子功能和化學感測功能，他們可以採集和記錄環境周圍的信息，包括記錄探針台寫入的15個比特的電子信息，以及土壤和水體中的化學物質信息，如金屬污染納米粒子或離子。因此，這些微粒機器人有望能廣泛地應用於生物醫藥研究領域，也可以將其注入石油或天然氣管道，獲取所需的環境數據。
利用自動打孔技術這種新的微納加工技術，研究人員可將原子般薄的表面裁剪成所需的形狀，並包裹不同的微納材料，以便應用到不同的學科和領域。總之，自動打孔技術也提供了一種全新的在微粒尺度內集成不同微納電子器件的方法，有望用來大批量生產具有更複雜功能的微型自驅動的膠體機器人。
劉平偉介紹細胞大小的智能機器人具有很大的應用潛力，如將其分散、流動到傳統電子器件難以進入的封閉環境中，如石油、天然氣管道或人體的胃腸道以及血管中等，去採集、記錄和發送相應環境的信息。
新加坡南洋理工大學科研人員在同期的雜誌上專門撰寫了點評文章，認為該研究提供了一種全新的微納製造技術，為二維材料和微納米顆粒的可控複合及表面功能性集成提供了新的思路。
劉平偉的這項研究從2015年開始，持續三年。論文第一作者為劉平偉研究員，美國麻省理工學院Michael Strano教授是該論文的通訊作者。該工作後期得到了浙江大學「百人計劃」啟動基金等項目的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0197-z
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