细胞大小的机器人可以感知他们的环境

麻省理工学院的研究人员创造了可能是最小的机器人，可以感知他们的环境，存储数据，甚至执行计算任务。这些装置的大小与人类卵细胞大小相当，由二维材料制成的微小电子电路组成，捎带在称为胶体的微小颗粒上。

胶体是不溶的颗粒或分子，从十亿分之一到百万分之一米，它们很小，可以无限期地悬浮在液体中或甚至在空气中。通过将这些微小的物体耦合到复杂的电路，研究人员希望为可以分散的设备奠定基础，通过从人体消化系统到石油和天然气管道的任何东西进行诊断，或者通过空气来测量内部的化合物化学处理器或炼油厂。

“我们想找出将完整的，完整的电子电路移植到胶体颗粒上的方法，”麻省理工学院化学工程学的碳C. Dubbs教授，该研究的高级作者Michael Strano解释说，该研究发表在今天的“ 自然纳米技术 ”杂志上。。麻省理工学院博士后Volodymyr Koman是论文的第一作者。

“胶体可以通过其他材料无法进入的环境和旅行，”斯特拉诺说。例如，灰尘颗粒可以无限地漂浮在空气中，因为它们足够小，以至于碰撞空气分子所带来的随机运动比重力的拉力更强。同样，悬浮在液体中的胶体也永远不会沉淀下来。

研究人员在基板材料上制作了仅100微米的微小电子电路，然后将其溶解掉，使各个器件在溶液中自由浮动。这些随后附着在微小的胶体颗粒上。(由研究人员提供)

斯特拉诺说，虽然其他团体致力于创造类似的微型机器人设备，但他们的重点是开发控制运动的方法，例如通过复制一些微生物有机体用来推动自己的尾状鞭毛。但斯特拉诺认为这可能不是最富有成效的方法，因为鞭毛和其他细胞运动系统主要用于局部尺度定位，而不是用于显着运动。他说，在大多数情况下，使这些设备更具功能性比使它们移动更重要。

麻省理工学院团队制造的微型机器人是自供电的，不需要外部电源甚至内置电池。一个简单的光电二极管提供微小的机器人电路为其计算和存储电路供电所需的电流。这足以让他们感知有关他们环境的信息，将这些数据存储在他们的记忆中，然后在完成任务后读出数据。

将电子电路与胶体颗粒组合的微观装置在腔室内雾化，然后引入待分析的物质，其中它可以与装置相互作用。然后将这些装置收集在表面上的显微镜载玻片上，以便对它们进行测试。(由研究人员提供)

Strano说，这些设备最终可能成为石油和天然气行业的福音。目前，检查管道泄漏或其他问题的主要方法是让船员沿着管道物理驱动并用昂贵的仪器进行检查。原则上，新设备可以插入管道的一端，与流体一起携带，然后在另一端移除，提供他们在途中遇到的条件的记录，包括可能指示的污染物的存在问题区域的位置。最初的概念验证设备没有可以指示特定数据读数位置的定时电路，但添加这些是正在进行的工作的一部分。

同样，这些颗粒可能潜在地用于体内诊断，例如通过消化道寻找炎症迹象或其他疾病指标，研究人员说。

大多数传统的微芯片，例如硅基或CMOS，具有平坦的刚性基板，并且当附着到胶体上时不能正常工作，胶体在穿过环境时会经历复杂的机械应力。此外，所有这些芯片都“非常耗能，”斯特拉诺说。这就是为什么Koman决定尝试二维电子材料，包括石墨烯和过渡金属二硫化物，他发现这些材料可以附着在胶体表面，即使在被发射到空气或水中之后仍然可以使用。这种薄膜电子设备只需要很少的能量。“它们可以通过具有低电压的纳瓦级电源供电，”科曼说。

为了证明这些粒子如何用于测试生物样本，该团队在叶子上放置了一个包含这些设备的解决方案，然后使用设备的内部反射器通过在叶子上照射激光来定位它们进行测试。(由研究人员提供)

为什么不单独使用2-D电子设备?如果没有一些基材来携带它们，这些微小的材料太脆弱而无法保持在一起并发挥作用。“如果没有基质，它们就不可能存在，”斯特拉诺说。“我们需要将它们接枝到颗粒上，使它们具有机械刚性，并使它们足够大，以便夹带在流动中。”

但Koman说，2-D材料“足够坚固，足够坚固，即使在非常规基质上也能保持其功能”，如胶体。

他们用这种方法生产的纳米器件是自主粒子，包含用于发电，计算，逻辑和存储器的电子器件。它们由光线驱动，并包含微小的后向反射器，可以在旅行后轻松定位。然后可以通过探针查询它们以提供其数据。在正在进行的工作中，该团队希望增加通信功能，以允许粒子在不需要物理接触的情况下提供数据。

纳米级机器人技术的其他努力“尚未达到”创造复杂电子器件的那种水平，所述复杂电子器件足够小且能量有效以雾化或悬浮在胶体液体中。斯特拉诺说，这些是“非常聪明的粒子，按照现行标准”，并补充说，“我们认为这篇论文是机器人领域的新领域”。