Wie man zellgroße Roboter in Massenproduktion herstellt: Technik vom MIT könnte zu winzigen führen, Geräte mit eigener Stromversorgung für die Umwelt, industriell, oder medizinische Überwachung.

Winzige Roboter, die nicht größer als eine Zelle sind, könnten mit einer neuen Methode, die von Forschern des MIT entwickelt wurde, in Serie hergestellt werden. Die mikroskopischen Geräte, die das Team „syncells“ nennt (kurz für synthetische Zellen), möglicherweise verwendet werden, um die Bedingungen in einer Öl- oder Gaspipeline zu überwachen, oder um Krankheiten zu suchen, während man durch den Blutkreislauf schwebt.

Dieses Foto zeigt Kreise auf einer Graphenplatte, bei der die Platte über eine Reihe von runden Pfosten drapiert ist, Spannungen erzeugen, die dazu führen, dass sich diese Scheiben von der Platte lösen. Der graue Balken über das Blatt wird verwendet, um die Flüssigkeit, die Scheiben von der Oberfläche zu heben. Bild: Felice Frankel

Der Schlüssel zur Herstellung solcher winzigen Geräte in großen Mengen liegt in einem Verfahren, das Team zur Steuerung des natürlichen Bruchvorganges von atomar dünnen entwickelt, spröden Materialien, Richten der Bruchlinien, so dass sie miniscule Taschen einer vorhersagbaren Größe und Form zu produzieren. Eingebettet in diesen Taschen sind elektronische Schaltungen und Materialien, die sammeln können, Aufzeichnung, und Ausgangsdaten.

Das neue Verfahren, genannt „Autoperforation“,“ wird in einem heute in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel beschrieben Naturmaterialien, von MIT-Professor Michael Strano, Postdoc Pingwei Liu, Doktorand Albert Liu, und acht weitere am MIT.

Das System verwendet eine zweidimensionale Form von Kohlenstoff namens Graphen, welches die äußere Struktur der winzigen Synzellen bildet. Eine Schicht des Materials wird auf eine Oberfläche gelegt, dann winzige Punkte eines Polymermaterials, enthält die Elektronik für die Geräte, werden von einer ausgeklügelten Laborversion eines Tintenstrahldruckers abgelegt. Dann, eine zweite Graphenschicht wird darauf gelegt.

Kontrolliertes Frakturieren

Die Leute denken an Graphen, ein ultradünnes aber extrem starkes Material, als "floppy",“aber es ist eigentlich spröde, Strano erklärt. Aber anstatt diese Sprödigkeit als Problem zu betrachten, Das Team hat herausgefunden, dass es zu seinem Vorteil genutzt werden kann.

„Wir haben festgestellt, dass man die Sprödigkeit nutzen kann,“, Sagt Strano, wer ist der Carbon P. Dubbs-Professor für Chemieingenieurwesen am MIT. „Es ist kontraintuitiv. Vor dieser Arbeit, Wenn Sie mir sagten, dass Sie ein Material zerbrechen könnten, um seine Form im Nanobereich zu kontrollieren, Ich wäre ungläubig gewesen.“

Aber das neue System macht genau das. Es steuert den Bruchprozess so, dass keine zufälligen Materialsplitter erzeugt werden, wie die Überreste eines zerbrochenen Fensters, es produziert Stücke von einheitlicher Form und Größe. „Wir haben herausgefunden, dass Sie ein Dehnungsfeld auferlegen können, um die Fraktur zu führen, und Sie können das für eine kontrollierte Fertigung verwenden,“Strano sagt.

Wenn die oberste Graphenschicht über die Anordnung der Polymerpunkte gelegt wird, die runde Säulenformen bilden, die Stellen, an denen das Graphen über die runden Kanten der Säulen drapiert, bilden Linien hoher Spannung im Material. Wie Albert Liu es beschreibt, „Stellen Sie sich eine Tischdecke vor, die langsam auf die Oberfläche eines runden Tisches fällt. „Stellen Sie sich eine Tischdecke vor, die langsam auf die Oberfläche eines runden Tisches fällt, „Stellen Sie sich eine Tischdecke vor, die langsam auf die Oberfläche eines runden Tisches fällt

Als Ergebnis, „Stellen Sie sich eine Tischdecke vor, die langsam auf die Oberfläche eines runden Tisches fällt, Strano sagt. „Stellen Sie sich eine Tischdecke vor, die langsam auf die Oberfläche eines runden Tisches fällt: „Stellen Sie sich eine Tischdecke vor, die langsam auf die Oberfläche eines runden Tisches fällt, „Stellen Sie sich eine Tischdecke vor, die langsam auf die Oberfläche eines runden Tisches fällt, „Stellen Sie sich eine Tischdecke vor, die langsam auf die Oberfläche eines runden Tisches fällt.

„Stellen Sie sich eine Tischdecke vor, die langsam auf die Oberfläche eines runden Tisches fällt, „Stellen Sie sich eine Tischdecke vor, die langsam auf die Oberfläche eines runden Tisches fällt, die beiden resultierenden Scheiben kleben an ihren Rändern und bilden so etwas wie eine winzige Fladenbrottasche, mit dem Polymer innen versiegelt. „Und der Vorteil hier ist, dass dies im Wesentlichen ein einzelner Schritt ist,” im Gegensatz zu vielen komplexen Reinraumschritten, die von anderen Prozessen benötigt werden, um zu versuchen, mikroskopische Robotergeräte herzustellen, Strano sagt.

Die Forscher haben auch gezeigt, dass neben Graphen auch andere zweidimensionale Materialien, wie Molybdändisulfid und hexagonales Bornitrid, funktioniert genauso gut.

Zellenähnliche Roboter

Im Bereich der Größe eines menschlichen roten Blutkörperchens, Über 10 Mikrometer im Durchmesser, bis zu etwa 10 mal so groß, diese winzigen Objekte „fangen an, wie eine lebende biologische Zelle auszusehen und sich zu verhalten“. Eigentlich, unter einem Mikroskop, du könntest wahrscheinlich die meisten Leute davon überzeugen, dass es eine Zelle ist,“Strano sagt.

Diese Arbeit schließt an frühere Forschung von Strano und seinen Studenten über die Entwicklung von Synzellen, die mithilfe von Sensoren auf ihrer Oberfläche Informationen über die Chemie oder andere Eigenschaften ihrer Umgebung sammeln können, und speichern Sie die Informationen für einen späteren Abruf, zum Beispiel, einen Schwarm solcher Partikel in das eine Ende einer Pipeline zu injizieren und sie am anderen zu bergen, um Daten über die Bedingungen darin zu erhalten. Während die neuen Synchronzellen noch nicht so viele Fähigkeiten haben wie die früheren, die wurden einzeln zusammengebaut, in der Erwägung, dass diese Arbeit einen Weg aufzeigt, solche Geräte einfach in Massen zu produzieren.

Abgesehen von den Einsatzmöglichkeiten der Syncells für die industrielle oder biomedizinische Überwachung, die Art und Weise, wie die winzigen Geräte hergestellt werden, ist selbst eine Innovation mit großem Potenzial, nach Albert Liu. „Dieses allgemeine Verfahren zur Verwendung des kontrollierten Bruchs als Produktionsmethode kann auf viele Längenskalen ausgedehnt werden," er sagt. „[Es könnte möglicherweise mit verwendet werden] im Wesentlichen alle 2D-Materialien Ihrer Wahl, im Prinzip ermöglicht es zukünftigen Forschern, diese atomar dünnen Oberflächen für Anwendungen in anderen Disziplinen in jede gewünschte Form zu bringen.“

Das ist, Albert Liu sagt, „eine der wenigen Möglichkeiten, die derzeit verfügbar ist, um eigenständige integrierte Mikroelektronik im großen Maßstab zu produzieren“, die als unabhängig funktionieren kann, frei schwebende Geräte. Je nach Art der Elektronik im Inneren, die Geräte könnten mit Bewegungsmöglichkeiten versehen werden, Nachweis verschiedener Chemikalien oder anderer Parameter, und Speicherablage.

Es gibt ein breites Spektrum potenzieller neuer Anwendungen für solche Robotergeräte in Zellengröße, sagt Strano, der viele solcher Anwendungsmöglichkeiten in einem Buch beschreibt, das er gemeinsam mit Shawn Walsh . verfasst hat, ein Experte bei Army Research Laboratories, zum Thema, namens „Robotersysteme und autonome Plattformen,“ die diesen Monat von Elsevier Press veröffentlicht wird.

Als Demonstration, das Team „geschrieben“ die Buchstaben M, ich, und T in ein Speicherarray innerhalb einer syncell, die die Informationen als unterschiedliche elektrische Leitfähigkeitswerte speichert. Diese Informationen können dann mit einer elektrischen Sonde „gelesen“ werden, zeigt, dass das Material als eine Form eines elektronischen Speichers fungieren kann, in den Daten geschrieben werden können, lesen, und nach Belieben gelöscht. Es kann die Daten auch ohne Strom speichern, Erlauben der Sammlung von Informationen zu einem späteren Zeitpunkt. Die Forscher haben gezeigt, dass die Partikel auch im Wasser über Monate stabil sind, das ist ein aggressives Lösungsmittel für die Elektronik, nach Strano.

„Ich denke, es eröffnet ein ganz neues Toolkit für Mikro- und Nanofabrikation," er sagt.

Daniel Goldman, ein Professor für Physik an der Georgia Tech, wer war nicht an dieser arbeit beteiligt, sagt, „Die von Professor Stranos Gruppe entwickelten Techniken haben das Potenzial, intelligente Geräte im Mikromaßstab zu entwickeln, die gemeinsam Aufgaben erfüllen können, die kein einzelnes Teilchen alleine bewältigen kann.“

Quelle:

http://news.mit.edu, von David L. krämer