Nature:看不见的外科医生——比头发丝还小的微型“机器人大军”正在走来

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本文转自:Bio生物世界
 
1959年,理查德·费曼(Richard Feynman),诺贝尔奖获得者和纳米技术幻想家,在他的最初设想中,分子机器的重要用途之一就是利用纳米机器人手术和局部给药。“虽然这是一个非常大胆的想法,但如果你能吞下外科医生,那么手术会变得很有意思,”理查德·费曼描绘道,只要把这个外科医生放进人体的血液中,他就能够抵达心脏,并且查看哪里出了问题,然后他会拿出小刀,把不好的地方,比如肿瘤部位切除。
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这种对未来微型机器人的典型想象表明了现代人将自动设备部署在微观环境中的希冀。然而,制作微型机器人存在许多障碍。其中主要的一个障碍是:没有微米级的驱动系统能够与半导体加工无缝集成,并对标准电子控制信号做出响应。
近日,国际顶尖学术期刊 Nature 发表了来自康奈尔大学的一篇题为:Electronically integrated, mass-manufactured microscopic robots 的研究论文。
研究团队开发了一种新的电化学驱动设备(SEAs)来克服制作微型机器人的障碍,它可以在低电压(200微伏)低功率(10毫瓦)下工作,并且与硅工艺完全兼容。这种设备能够推动由激光控制的微型机器人通过液体,并且很容易与微电子组件集成,来构建完全自动的微型机器人。
这种微型机器人尺寸小于 0.1mm(约为人头发宽度)在未来,这些微型机器人或许可以穿梭在人体组织和血液中,执行外科医生的操作,缝合血管,探测人类大脑等
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新开发的电化学驱动设备(SEAs)

 

研究团队新开发的电化学驱动设备(SEAs)由纳米级厚度的铂制成,并使用标准半导体技术制造。他们用原子层沉积法制造出7纳米厚的铂层,在暴露的表面覆盖一层非活性材料,石墨烯或溅射钛,然后用光刻技术将其图案化。释放后,装置中的预应力和铂层与封盖层之间的表面应力有所差异,使得SEAs弯曲。
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电化学驱动吸附引起的SEAs弯曲示意图
这种新开发的电化学驱动设备克服了微型机器人在液体环境中的阻力。这种驱动设备能将能量转换为运动,当施加少量电流时,SEAs会折叠和展开。电流使周围溶液中的离子吸附到执行器的表面,从而改变了支腿中的压力,从而使其弯曲。并且,使用与制造计算机芯片相同的纳米制造技术就能用来制造这些驱动设备。
而且,这些驱动设备可多次重复循环,而且循环数百次都不会退化。
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这种机器人由两个主要部分组成:一个是包含标准硅电子元件的身体,另一个是由他们新开发的驱动设备(SEAs)和面板组成的腿,这些驱动设备和面板构成了腿的三维结构。面板控制着腿的折叠形状,而驱动设备则产生动力。这种情况下的电子器件是由硅光电和金属互连线构成的简单电路。
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微型机器人的光学图像
支腿连接到机器人中央面板上的多个光伏板(太阳能电池)。当操作员将激光照射在这些光伏板上时,促使驱动设备弯曲。操作人员可以通过将激光照射在不同的光伏板上来在弯曲前腿和后腿之间进行交替,从而推动机器人。
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制造微型机器人的三个主要步骤:制造电子设备,制造支架和释放设备。主要的制造步骤是在晶圆级完成的,而释放步骤通常是在切好的芯片上完成的
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微型机器人制造方法示意图
每一个机器人的大小都可以与较大的微生物相媲美:一个机器人几乎和一个单细胞草履虫一样小。
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草履虫和它旁边的一个机器人
一个4英寸的晶圆表面有大约一百万个微型机器人。
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研究的意义

由于新开发的电化学驱动设备的制造技术与制造电路板的技术相同,因此原则上未来可以同时制造微型机器人的“大脑”(逻辑电路)和支腿。并且由于驱动设备可以由通常流经电子电路的低功率电流操作,因此传感器和逻辑组件可以与驱动设备无缝集成。这就解决了前面所提到的制作微型机器人的主要障碍之一。这很重要,因为在未来微型机器人不仅要按需游动,而且还要使用来自传感器和逻辑电路的输入来遵循更高级的指令。
研究团队不仅设计和测试了单个微执行器,他们还开发了原型微机器人——将四个新开发的驱动设备用作支腿,使它们可以在淹没在颠簸水面上缓慢移动。
研究团队使用了崭新的设计概念来设计微型机器人——他们没有向静态粒子添加推进机制,而是使原型机器人微型化:一种具有由电子设备控制的机械腿。不同于其他微型机器人启动器需要特定的化学环境才能发挥作用的特性,这种设计将能源转化为运动的效率要高100万倍。
目前,自动微型机器人在设计将存储或清除的能量转换为机械运动的微粒方面取得了巨大进展,但是可编程性仍然是一个挑战。而这项研究为解决此问题提供了清晰的方向。
微型设备已经被开发出来,可以充当由激光控制的微型机器人的腿。这些器件与微电子系统的兼容性为大规模制造自动微型机器人指明了一条道路。
 
参考文献:
1. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9
2. https://www.nature.com/articles/d41586-020-02421-2
3. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja405135f
4.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135 9029415001120?via%3Dihub
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynman

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