Leta 1959 je imel nekdanji fizik v Cornellu, gospod Richard Feynman, svoje znamenito predavanje z naslovom “Na dnu je veliko prostora”, v katerem je opisal priložnost za tehnologije zmanjševanja, od strojev do računalniških čipov, in to do neverjetno majhnih velikosti. No, tudi na dnu je v tem času nastala že velika gneča.
Sodelovanje skupine strokovnjakov pod vodstvom Cornella je ustvarilo prve mikroskopske robote, ki vsebujejo polprevodniške komponente, kar jim omogoča, da jih lahko upravljamo (tudi njihovo hojo) s standardnimi elektronskimi signali.
Ti roboti, približno tako veliki kot paramecij, predstavljajo osnovo za izdelavo še bolj zapletenih različic robotov v prihodnosti, ki bodo uporabljali polprevodniško inteligenco, jih bo mogoče množično proizvajati in bodo lahko nekoč potovali skozi človeška tkiva in po krvi.
Sodelovanje vodijo Itai Cohen, profesor fizike, profesorja Paul McEuen in John A. Newman, oba z Visoke šole za umetnost in znanost, poleg tega pa tudi njihov nekdanji podoktorski raziskovalec Marc Miskin, ki je zdaj docent na Univerzi v Pensilvaniji.
Članek ekipe z naslovom “Elektronsko integrirani, serijsko izdelani mikroskopski roboti” je bil objavljen 26. avgusta v reviji Nature.
Roboti, ki so se sposobni premikati, so najnovejša ponovitev in v marsičem tudi evolucija prejšnjih kreacij Cohena in McEuena iz nanometrskega območja raziskovanj, od mikroskopskih senzorjev do origami naprav na osnovi grafena.
Novi roboti imajo debelino približno 5 mikronov (mikron je ena milijoninka metra), široki so 40 mikronov in dolgi od 40 do 70 mikronov. Vsak tak robotek je sestavljen iz preprostega vezja iz silicijeve fotovoltaične celice, kar sta bistvu njegov trup in možgani. Dodani so štirje elektrokemijski aktuatorji, ki delujejo kot noge.
Ne glede na to, kako preprosti se zdijo na prvi pogled ti majhni stroji, je bilo ustvarjanje njihovih nog izjemen podvig.
“V kontekstu možganov robota je smiselno, da samo vzamemo obstoječo polprevodniško tehnologijo in jo naredimo majhno in gibljivo,” je dejal McEuen, ki je sopredsednik projektne skupine za znanost na nanometrskem območju in inženiring mikrosistemov (NEXT Nano), ki je hkrati del pobude za radikalno sodelovanje in usmerja delovanje Inštituta Kavli za nanometrsko znanost na Cornellu.
“Toda noge pred tem še niso obstajale,” je dejal McEuen. »Ni bilo majhnih pogonov, ki bi jih bilo mogoče električno aktivirati in ki bi jih lahko kar uporabili. Zato smo si jih morali najprej izmisliti in jih šele nato združiti z ostalo elektroniko. «
Z uporabo nanosa atomske plasti in litografije je ekipa skonstruirala noge robotov iz trakov platine, debelih le nekaj deset atomov, na eni strani zaprtih s tanko plastjo inertnega titana. Po nanosu pozitivnega električnega naboja na platino negativno nabiti ioni adsorbirajo na izpostavljeno površino iz okoliške raztopine, da bi nevtralizirali naboj. Ti ioni prisilijo izpostavljeno platino, da se razširi, zaradi česar se trak upogne. Izredno tanki trakovi omogočajo, da se material lahko zelo upogne, ne da bi se pri tem zlomil. Za pomoč pri nadzoru gibanja 3D okončin so raziskovalci na vrhu trakov razporedili toge polimerne ploščice. Reže med ploščicami delujejo kot koleno ali gleženj, kar omogoča, da se noge nadzorovano upogibajo in tako ustvarijo gibanje.
Raziskovalci nadzorujejo robote z osvetljevanjem z laserskimi impulzi pri vsaki posamezni fotovoltaični celici, od katerih vsaka poganja ločen niz nog. Tako robot s preklapljanjem laserja med sprednjo in zadnjo fotovoltaično celico lahko hodi.
„Čeprav so ti roboti po svoji funkciji primitivni – niso zelo hitri, nimajo veliko računskih zmožnosti – pa so inovacije, ki smo jih naredili za združljivost s standardno izdelavo mikročipov, odprle vrata pametnim mikroskopskim robotom, ki bodo hitri in primerni za masovno proizvodnjo, “je dejal Cohen. “To je v resnici le prvi poskus na tem področju, dokaz, da že lahko naredimo elektronsko integracijo majhnega robota.”
Roboti so zagotovo visokotehnološki, vendar delujejo z nizko napetostjo (200 milivoltov) in nizko močjo (10 nanovatov) ter ostajajo močni in robustni glede na svojo velikost. Ker so narejeni s standardnimi litografskimi postopki, jih je mogoče izdelati vzporedno: na eni sami 4-palčni (10 cm) silicijevi rezini je mogoče izdelati približno milijon takih robotov.
Raziskovalci raziskujejo načine za izdelavo robotov s še bolj zapleteno elektroniko in računalniki z večjo računsko zmogljivostjo – izboljšave, ki bi lahko nekega dne povzročile, da bi se celi roji mikroskopskih robotov plazili in prestrukturirali materiale, šivali krvne žile ali jih množično pošiljali kot sonde na velike površine človeških možganov.
»Upravljanje majhnih robotov se morda zdi tako blizu, kot sposobnost, da bi lahko pomanjšali sami sebe. Mislim, da nas bodo takšni stroji popeljali v vse vrste neverjetnih svetov, ki so premajhni, da bi jih videli, «je dejal Miskin, glavni avtor študije.
Med soavtorji so še David Muller, profesor inženirstva na Samuel B. Eckert; dr. Alejandro Cortese, predsedniški podoktorski sodelavec v Cornellu; podoktorski raziskovalec Qingkun Liu; doktorski študenti Michael Cao, Kyle Dorsey in Michael Reynolds in Edward Esposito, nekdanji univerzitetni uslužbenec in tehnik v Cohenovem laboratoriju.
“Ta raziskovalni preboj ponuja vznemirljivo znanstveno priložnost za raziskovanje novih vprašanj, pomembnih za fiziko aktivne snovi in lahko na koncu pripelje do futurističnih robotskih materialov,” je povedal Sam Stanton, vodja programa z vojaškega urada za raziskovanje, ki je del raziskovalnega laboratorija vojaškega poveljstva za razvoj bojnih zmogljivosti in ki je podpiral to raziskavo.
Dodatno podporo so zagotovili urad za znanstvene raziskave v zračnih silah, center za raziskave materialov Cornell, ki ga na drugi strani podpira program znanstvenega in inženirskega centra za raziskave materialov nacionalne znanstvene fundacije in Inštitut za nanotehnologijo Kavli v Cornellu. Delo je bilo praktično izvedeno z zmogljivostmi Cornell NanoScale Science and Technology.
Avtor: David Nutt
Vir: https://news.cornell.edu/stories/2020/08/laser-jolts-microscopic-electronic-robots-motion
