大規模生產機器人?聽上去就像是《星際大戰》(Star Wars)之類的科幻電影中大壞蛋幹的事兒。但現實要比電影更科幻。美國麻省理工學院(MIT)的研究團隊開發了一種方法,不僅能實現機器人的大規模生產,而且這種機器人的大小只有細胞那麼大,真是原子級的高科技。

先說說這麼小的機器人能做什麼用:微型裝置越小,就越能進入纖細、複雜的結構中;我們可以讓微型機器人前往一些原先很難探察的地方:探勘石油天然氣管道、在人體血管內診斷疾病。研究團隊把這種微型機器人稱為合成細胞(syncell)。實驗證明,如果把記憶體單元放到這種機器人裡,它可以成為良好的資料儲存裝置,即使一段時間不通電並浸在水中也不會丟失資料。

從本質上講,syncell本身並不是機器人,而是一種裝載微型電子器件的容器結構。MIT教授Michael Strano領導的研究團隊推出這項成果,正是採用極為高效、精確的方法,讓石墨烯材料大量產生這種微型容器。這項研究成果發表在最近出版的《自然-材料》(Nature Materials)雜誌上。

從顯微鏡下觀察,這種syncell和人體紅血球的大小差不多,尺寸大約10微米。Strano說:「它看起來像是活的生物細胞。事實上大多數人都會把它當成細胞。」我們可以把感測器和記憶體放進syncell,然後把一大群這樣的細胞機器人從各種通道(例如石油管道、人體血管)的一端注射進去,再由感測器在通道內部收集資訊。當syncell從另一頭出來的時候,我們取出記憶體中的資料,就可以完成精確的探察任務。

我們馬上要介紹的是這項成果裡最有趣的部份:syncell的大量生產方式。要精確地大規模製造這麼多細胞的小容器,必須要採用什麼特別先進的微型裝置呢?答案是不用。研究人員採取的製造方法重點在於充份運用了石墨烯材料自身的特性。

其製造過程如下: 首先,將一層極薄的石墨烯薄片鋪在表面。然後,用專門的印刷機把裝載著微型電子元件(如感測器、記憶體)的高分子聚合物印到這層石墨烯上。這些聚合物形成了點陣,在顯微鏡下看,就像是一個個的小圓柱。最後,讓第二層石墨烯落在這一層圓柱的頂端。

專案研究人員Albert Liu介紹說:「就像桌布落在圓桌表面一樣,石墨烯薄片在聚合物圓柱的邊緣也會自然地垂落折疊,發生圓形應變。」

我們知道,石墨烯是一種超薄而堅固的材料,但是它又具有「脆」的特點,出現應變後就會破損。研究團隊恰恰利用了石墨烯這個特性,使其產生可控制的破損(稱為autoperforation,自動破損),最後上下兩層石墨烯薄片會自動融合,形成完整的圓形容器syncell——「就好像被一個微型打孔器切下來一樣整齊乾淨」。

與其他製造微型機器人的複雜製程相比,syncell技術的優勢在於其簡潔性,基本上只需要一個步驟。研究人員表示,這種技術可用於其他多種超薄材料,除了石墨烯之外,例如二硫化鉬和六方氮化硼都可以形成syncell容器。

Albert Liu表示,syncell技術為微型和奈米級別的製造製程提供了全新的工具套件。

原文刊登於《電子工程專輯》姐妹刊物《機器人網》(RoboticsChina)