Overal om ons heen, verscholen net buiten ons gezichtsveld, zijn minuscule machines. Kleine versnellingsmeters in onze auto's detecteren een botsing en vertellen de airbags dat ze moeten worden opgeblazen. De kleine gyroscopen van een Nintendo Wii-controller vertalen je tennisswing in beweging op het scherm. De versnellingsmeter van een iPhone, gyroscoop, en nabijheidssensor detecteren de locatie in de ruimte.

Al deze kleine machines, gezamenlijk bekend als micro-elektromechanische systemen, of MEMS, hebben iets gemeen:ze zijn gehecht aan, of heel dichtbij, een krachtbron. Voor bredere toepassingen, zoals draadloze hersenimplantaten, wetenschappers en ingenieurs hebben stroom nodig op afstand. Maar hoewel het gemakkelijk is om informatie door de lucht te sturen - denk aan radiogolven - het verzenden van stroom, vooral aan een minuscule machine, kan wat lastiger.

Maar nu een team van onderzoekers, onder leiding van Boston University College of Engineering (ENG) PhD-kandidaat Farrukh Mateen (ENG'18) en Raj Mohanty, een professor in de natuurkunde aan de BU's College of Arts &Sciences (CAS), naderen een oplossing. Ze hebben een klein micromechanisch apparaatje gebouwd en het aan- en uitgezet met één nanowatt aan vermogen - dat is een miljardste van een watt - vanaf een meter afstand. Het apparaat, beschreven in de 15 augustus 2016, probleem van Natuur:microsystemen en nano-engineering , is een miniatuur sandwich van goud en aluminiumnitride die trilt, of resoneert, bij microgolffrequenties. De kleine resonator is slechts 100 micrometer breed - iets breder dan de breedte van een mensenhaar.

"Draadloze stroom is niet nieuw, " zegt Mateen, hoofdauteur op het papier. "Nikola Tesla demonstreerde het op de Wereldtentoonstelling van 1893, maar we denken dat dit de eerste keer is dat het wordt gebruikt met een micromechanische resonator."

In een tweede ronde van experimenten, het apparaat behaalde een indrukwekkende efficiëntie van 15 procent met een hogere radiofrequentie. Die resultaten werden online gepubliceerd op 16 augustus, 2016, probleem van Technische Natuurkunde Brieven .

De meest veelbelovende toepassing voor dit type apparaat ligt in het opkomende gebied van de optogenetica:licht schijnen op genetisch gemodificeerde hersencellen om ze op een bepaalde manier te laten gedragen. Het veld biedt een groot potentieel voor neurowetenschappelijk onderzoek, evenals mogelijke behandelingen voor neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson. Maar om een ​​apparaat in het lichaam te planten, vooral de hersenen, is uitdagend. Het moet klein en efficiënt zijn, low-power en lage straling. De stroom moet snel naar het apparaat gaan, via bot- en hersenweefsel. "Je wilt niet elke dag batterijen moeten vervangen, " zegt Mohanty, corresponderende auteur op beide artikelen, "en je wilt je hersens niet braden."

Er zijn twee manieren om stroom te sturen zonder kabels. De eerste, magnetische velden, heeft een kort bereik, tenzij grote spoelen draad worden gebruikt, het beperken van hun bruikbaarheid voor kleine apparaten. De seconde, elektrische velden, heeft een groter bereik maar stuitert vrijwel alles af. "Maar er zijn manieren om dit te omzeilen, " zegt Mateen, hoofdauteur van beide artikelen. "We dachten dat het optimaliseren van de ontvanger de oplossing zou kunnen zijn."

Het team begon na te denken over resonatoren - materialen die van nature trillen op bepaalde frequenties - zoals een duikplank die op een bepaalde manier door de lucht blaast, of een wijnglas dat schudt als reactie op een bepaalde geluidsfrequentie.

"Resonatoren zijn de bouwstenen van alle micromachines, " zegt Mohanty. "Als we dat konden laten werken, we kunnen er alles op bouwen."

Deze specifieke resonator bestaat uit een laag aluminiumnitride op een siliciumbasis. Aluminiumnitride is een "piëzo-elektrisch" materiaal - wanneer het een elektrisch veld waarneemt, het buigt of resoneert. Het probleem was het bouwen van een kleine antenne zodat het materiaal de elektriciteit in de lucht kon voelen.

"We moesten ons denken veranderen, "zegt Mohanty. "We zeiden, waarom zou je de resonator zelf niet als antenne gebruiken? Dat is waar de doorbraak kwam." Het team veranderde de resonator in een zogenaamde "patch-antenne" door dunne laagjes goud aan de boven- en onderkant toe te voegen. De eenvoudige oplossing deed de truc.

"Ik was echt verrast toen het werkte, " zegt Mateen, die zich herinnert dat hij naar zijn collega belde, co-auteur Carsten Mädler (GRS'16), toen hij voor het eerst een signaal ontdekte. "Ik zei, 'Gozer! Dit moet je zien! Ik denk dat we dit ding draadloos kunnen bedienen!'"

Hoewel de technologie nog in de kinderschoenen staat, Mateen ziet veel potentiële toepassingen, van sensoren op afstand om opladers voor mobiele telefoons te verbeteren tot hersenimplantaten. "Het idee van een biomedische toepassing is gewoon geweldig, "zegt hij. "Het zou geweldig zijn als het zou eindigen in een soort product dat de mensheid op de een of andere manier hielp. Dit is een kleine stap in die richting."