Een elektrisch geleidende, omgevingsgevoelig, vormveranderende machine ter grootte van een menselijke cel? Is dat zelfs mogelijk?

Cornell-natuurkundigen Paul McEuen en Itai Cohen zeggen niet alleen ja, maar ze hebben er eigenlijk de "spier" voor gebouwd.

Met postdoctoraal onderzoeker Marc Miskin aan het roer, het team heeft een exoskelet van een robot gemaakt dat snel van vorm kan veranderen bij het waarnemen van chemische of thermische veranderingen in zijn omgeving. En, zij beweren, deze microschaalmachines – uitgerust met elektronische, fotonische en chemische ladingen - zou een krachtig platform kunnen worden voor robotica op de schaal van biologische micro-organismen.

"Je zou de rekenkracht van het ruimteschip Voyager op een object ter grootte van een cel kunnen zetten, ' zei Cohen. 'Toen, waar ga je op ontdekkingstocht?"

"We proberen een zogenaamd 'exoskelet' voor elektronica te bouwen, " zei McEuen, de John A. Newman Professor of Physical Science en directeur van het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science. "Direct, je kunt kleine computerchips maken die veel informatie verwerken … maar ze weten niet hoe ze moeten bewegen of iets laten buigen."

Hun werk wordt beschreven in "Graphene-based Bimorphs for Micron-sized, Autonome Origami-machines, " gepubliceerd op 2 januari in Proceedings van de National Academy of Sciences . Miskin is hoofdauteur; andere medewerkers waren onder meer David Muller, de Samuel B. Eckert hoogleraar techniek, en promovendi Kyle Dorsey, Baris Bircan en Yimo Han.

De machines bewegen met behulp van een motor die een bimorph wordt genoemd. Een bimorf is een assemblage van twee materialen - in dit geval grafeen en glas - dat buigt wanneer het wordt aangedreven door een stimulus zoals warmte, een chemische reactie of een aangelegde spanning. De vormverandering gebeurt omdat, in het geval van warmte, twee materialen met verschillende thermische reacties zetten in verschillende hoeveelheden uit bij dezelfde temperatuurverandering.

Als gevolg hiervan, de bimorph buigt om een ​​deel van deze spanning te verlichten, waardoor de ene laag langer kan uitrekken dan de andere. Door stijve platte panelen toe te voegen die niet kunnen worden gebogen door bimorfen, de onderzoekers lokaliseren dat buigen alleen op specifieke plaatsen plaatsvindt, vouwen maken. Met dit begrip, ze zijn in staat om verschillende vouwstructuren te maken, variërend van tetraëders (driehoekige piramides) tot kubussen.

In het geval van grafeen en glas, de bimorfen vouwen ook in reactie op chemische stimuli door grote ionen in het glas te drijven, waardoor het uitbreidt. Meestal vindt deze chemische activiteit alleen plaats aan de uiterste rand van glas wanneer het wordt ondergedompeld in water of een andere ionische vloeistof. Omdat hun bimorf slechts enkele nanometers dik is, het glas is in principe allemaal buitenrand en zeer reactief.

"Het is een leuke truc, " zei Miskin, "omdat het iets is dat je alleen kunt doen met deze systemen op nanoschaal."

De bimorf is gebouwd met behulp van atomaire laagafzetting - het chemisch "schilderen" van atomair dunne lagen siliciumdioxide op aluminium over een dekglaasje - en vervolgens nat overbrengen van een enkele atomaire laag grafeen bovenop de stapel. Het resultaat is de dunste bimorph ooit gemaakt.

Een van hun machines werd beschreven als "drie keer groter dan een rode bloedcel en drie keer kleiner dan een groot neuron" opgevouwen. Er zijn al eerder vouwsteigers van dit formaat gebouwd, maar de versie van deze groep heeft één duidelijk voordeel.

"Onze apparaten zijn compatibel met de productie van halfgeleiders, "Zei Cohen. "Dat maakt dit compatibel met onze toekomstvisie voor robotica op deze schaal."

En vanwege de relatieve sterkte van grafeen, Miskin zei, het kan de soorten belastingen aan die nodig zijn voor elektronische toepassingen.

"Als je dit elektronica-exoskelet wilt bouwen, " hij zei, "Je hebt het nodig om genoeg kracht te kunnen produceren om de elektronica te dragen. Die van ons doet dat."

Voor nu, deze kleinste van kleine machines hebben geen commerciële toepassing in de elektronica, biologische waarneming of iets anders. Maar het onderzoek duwt de wetenschap van robots op nanoschaal vooruit, zei McEuen.

"Direct, er zijn geen 'spieren' voor kleinschalige machines, " hij zei, "dus we bouwen de kleinschalige spieren op."