Onderzoekers van het MIT hebben misschien wel de kleinste robots tot nu toe gemaakt die hun omgeving kunnen waarnemen, gegevens bewaren, en zelfs rekentaken uitvoeren. Deze apparaten, die ongeveer zo groot zijn als een menselijke eicel, bestaan ​​uit kleine elektronische circuits gemaakt van tweedimensionale materialen, meeliften op minuscule deeltjes die colloïden worden genoemd.

Colloïden, welke onoplosbare deeltjes of moleculen van een miljardste tot een miljoenste van een meter breed, zijn zo klein dat ze voor onbepaalde tijd in een vloeistof of zelfs in de lucht kunnen blijven hangen. Door deze kleine objecten te koppelen aan complexe circuits, de onderzoekers hopen de basis te leggen voor apparaten die kunnen worden verspreid om diagnostische reizen uit te voeren door alles van het menselijke spijsverteringsstelsel tot olie- en gaspijpleidingen, of misschien door de lucht te zweven om verbindingen in een chemische processor of raffinaderij te meten.

"We wilden methoden bedenken om compleet te enten, intacte elektronische circuits op colloïdale deeltjes, " legt Michael Strano uit, de Carbon C. Dubbs Professor of Chemical Engineering aan het MIT en senior auteur van de studie, die vandaag in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuur Nanotechnologie . MIT-postdoc Volodymyr Koman is de hoofdauteur van de paper.

"Colloïden kunnen toegang krijgen tot omgevingen en reizen op manieren die andere materialen niet kunnen, " zegt Strano. Stofdeeltjes, bijvoorbeeld, kunnen oneindig in de lucht zweven omdat ze klein genoeg zijn dat de willekeurige bewegingen die worden veroorzaakt door botsende luchtmoleculen sterker zijn dan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. evenzo, colloïden gesuspendeerd in vloeistof zullen nooit bezinken.

Strano zegt dat terwijl andere groepen hebben gewerkt aan de creatie van vergelijkbare kleine robotapparaten, hun nadruk lag op het ontwikkelen van manieren om beweging te controleren, bijvoorbeeld door de staartachtige flagellen te repliceren die sommige microbiële organismen gebruiken om zichzelf voort te stuwen. Maar Strano suggereert dat dit misschien niet de meest vruchtbare benadering is, omdat flagellen en andere cellulaire bewegingssystemen voornamelijk worden gebruikt voor positionering op lokale schaal, in plaats van voor significante beweging. Voor de meeste doeleinden, het functioneler maken van dergelijke apparaten is belangrijker dan ze mobiel maken, hij zegt.

Kleine robots gemaakt door het MIT-team zijn zelfaangedreven, geen externe stroombron of zelfs interne batterijen nodig. Een eenvoudige fotodiode levert het stroompje elektriciteit dat de circuits van de kleine robots nodig hebben om hun reken- en geheugencircuits van stroom te voorzien. Dat is genoeg om ze informatie over hun omgeving te laten voelen, deze gegevens in hun geheugen op te slaan, en laat de gegevens later uitlezen nadat ze hun missie hebben volbracht.

Dergelijke apparaten kunnen uiteindelijk een zegen zijn voor de olie- en gasindustrie, zegt Strano. Momenteel, de belangrijkste manier om te controleren op lekken of andere problemen in pijpleidingen is om een ​​bemanning fysiek langs de pijp te laten rijden en deze met dure instrumenten te inspecteren. In principe, de nieuwe apparaten kunnen in het ene uiteinde van de pijpleiding worden gestoken, meegevoerd met de stroom, en vervolgens verwijderd aan de andere kant, het verstrekken van een overzicht van de omstandigheden die ze onderweg tegenkwamen, inclusief de aanwezigheid van verontreinigingen die de locatie van probleemgebieden kunnen aangeven. De initiële proof-of-concept-apparaten hadden geen timingcircuit dat de locatie van bepaalde gegevensmetingen zou aangeven, maar daaraan toevoegen maakt deel uit van het lopende werk.

evenzo, dergelijke deeltjes kunnen mogelijk worden gebruikt voor diagnostische doeleinden in het lichaam, bijvoorbeeld om door het spijsverteringskanaal te gaan op zoek naar tekenen van ontsteking of andere ziekte-indicatoren, zeggen de onderzoekers.

De meeste conventionele microchips, zoals op silicium gebaseerde of CMOS, een flat hebben, onbuigzaam substraat en zou niet goed presteren wanneer het is bevestigd aan colloïden die complexe mechanische spanningen kunnen ervaren tijdens het reizen door de omgeving. In aanvulling, al zulke chips zijn "erg energiedorstig, " zegt Strano. Daarom besloot Koman om tweedimensionale elektronische materialen uit te proberen, inclusief grafeen en overgangsmetaal dichalcogeniden, waarvan hij vond dat het aan colloïde oppervlakken kon worden vastgemaakt, blijven operationeel, zelfs nadat ze in de lucht of in het water zijn gelanceerd. En zulke dunnefilm-elektronica vereist slechts kleine hoeveelheden energie. "Ze kunnen worden aangedreven door nanowatt met subvoltspanningen, ' zegt Koman.

Waarom niet alleen de 2D-elektronica gebruiken? Zonder een of ander substraat om ze te dragen, deze kleine materialen zijn te kwetsbaar om bij elkaar te houden en te functioneren. "Ze kunnen niet bestaan ​​zonder een substraat, " zegt Strano. "We moeten ze op de deeltjes enten om ze mechanische stijfheid te geven en om ze groot genoeg te maken om meegesleurd te worden in de stroom."

Maar de 2D-materialen "zijn sterk genoeg, robuust genoeg om hun functionaliteit te behouden, zelfs op onconventionele substraten" zoals de colloïden, zegt Koman.

De nanodevices die ze met deze methode produceerden, zijn autonome deeltjes die elektronica bevatten voor energieopwekking, berekening, logica, en geheugenopslag. Ze worden aangedreven door licht en bevatten kleine retroreflectoren waarmee ze gemakkelijk kunnen worden gevonden na hun reizen. Ze kunnen vervolgens worden ondervraagd door middel van sondes om hun gegevens te leveren. Bij lopende werkzaamheden, het team hoopt communicatiemogelijkheden toe te voegen zodat de deeltjes hun gegevens kunnen leveren zonder fysiek contact.

Andere inspanningen op nanoschaal robotica "hebben dat niveau niet bereikt" om complexe elektronica te creëren die voldoende klein en energiezuinig is om te worden verneveld of gesuspendeerd in een colloïdale vloeistof. Dit zijn "zeer slimme deeltjes, volgens de huidige normen, "Strano zegt, toevoegen, "We zien dit artikel als de introductie van een nieuw veld" in robotica.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.