激光让微型电子机器人行走——每片硅片可以生产100万个机器人

激光微机器人走路

康奈尔和宾夕法尼亚大学的研究人员建立了微妙的机器人,该机器人包括由硅光伏制成的简单电路 - 基本上是躯干和脑 - 和四个电化学致动器,用作腿。当激光照射在光伏电压上时,机器人走路。信贷:康奈尔大学

1959年,前康奈尔大学物理学家理查德·费曼发表了他的著名演讲“底部有很多空间”,他在演讲中描述了将技术从机器到计算机芯片缩小到难以置信的小尺寸的机会。下面越来越拥挤了。

康奈尔LED协作创造了一种合并半导体部件的第一显微镜机器人,使其能够控制 - 并进行标准电子信号。

这些机器人大致大小的参数,为建立了利用基于硅的智能的更复杂的版本提供了一个模板,可以是批量生产的,并且有一天可以通过人体组织和血液行进。

这项合作由Itai Cohen,物理学教授,Paul McEuen, John Newman的物理科学教授——都在文理学院——和他们的前博士后研究员Marc Miskin领导,后者现在是宾夕法尼亚大学的助理教授。

该团队的论文,“电子整合,大规模制造,微观机器人”,于2020年8月26日发布自然


微米尺度的建筑机器人是棘手的,特别是在设计小型'执行器'时 - 允许机器人移动的电机。传统的执行器不在这样的小规模上工作,并且新的致动器可以使用磁力等工作机制,并且难以与传统的基于硅的微电子集成。现在,研究人员团队已经开发出一种新型的执行器,可以通过电子方式运行,可以直接分层到控制它的电路上。这将在过去50年的微电子研究中打开门,以纳入机器人,这么小,人眼无法看到。

行走机器人是最新的迭代,并且在许多方面,科恩和Mceuen之前的纳米级创作的进化来自微观传感器石墨烯.-基于折纸机器

这种新型机器人大约5微米厚(1微米是一米的百万分之一),40微米宽,长度在40到70微米之间。每个机器人由一个简单的硅光伏电路和四个电化学驱动器组成,电路的主要功能是躯干和大脑,四个电化学驱动器的功能是腿。

尽管这些微型机器看起来很简单,但制造出这些腿却是一项巨大的壮举。

麦尤恩是纳米科学与微系统工程(NEXT Nano)工作组的联合主席,该工作组是教务长激进合作计划的一部分,他说:“在机器人大脑的背景下,我们只是在利用现有的半导体技术,让它变得更小、更易于释放。”并领导康奈尔大学纳米科学Kavli研究所。

“但之前腿部不存在,”Mceuen说。“您可以使用的小型电动可激活的执行器。所以我们必须发明那些,然后将它们与电子产品相结合。“

康奈尔机器人40微米宽

机器人厚度为约5微米,宽40微米,范围为40至70微米的长度 - 与副渣等微生物大致相同。信贷:康奈尔大学

使用原子层沉积和光刻,该团队从铂的条带构成腿部厚,厚度覆盖一侧的薄层惰性钛。在将正电荷施加到铂施加到铂时,带负电荷的离子从周围溶液中吸附到暴露的表面上以中和电荷。这些离子力迫使暴露的铂膨胀,使条带弯曲。条带的超薄度使材料能够在不破裂的情况下急剧弯曲。为了帮助控制3D肢体运动,研究人员将刚性聚合物板在条带顶部上图案化。面板之间的间隙像膝盖或脚踝一样,允许腿以受控方式弯曲并因此产生运动。

研究人员通过在不同的光电板上闪烁激光脉冲来控制机器人,每个光电板分别给一组腿充电。通过在前后光伏之间来回切换激光,机器人就可以行走了。

“虽然这些机器人在其功能是原始的,他们不是非常快,他们没有很多的计算能力,我们做出的创新,使其兼容标准的芯片制造开门让这些微小机器人聪明,快和mass-producible,”科恩说。“这真的只是第一次,嘿,我们可以在一个微型机器人上进行电子集成。”

这些机器人当然是高科技的,但它们在低电压(200毫伏)和低功率(10纳米瓦)下工作,并且保持了其体积的强大和健壮。因为它们是用标准的光刻工艺制造的,所以它们可以并行制造:大约100万个机器人可以安装在一个4英寸的硅片上。

研究人员正在探索用更复杂的电子产品和车载计算汤机器人的方法 - 有一天可能导致微观机器人爬行和重组材料的大群,或缝合血管,或者正在调度enmasse以探测大量的血管人的大脑。

“控制一个小型机器人可能就像你可以缩小自己的缩小一样靠近。我认为这样的机器将把我们带入各种令人惊叹的世界,这太小了看起来太小了,“Miskin说,这是研究的领先作者。

合著者包括塞缪尔·b·埃克特工程学教授大卫·穆勒;亚历杭德罗·科蒂斯,19年博士,康奈尔大学总统博士后研究员;博士后研究员刘庆坤;14岁的博士生Michael Cao, Kyle Dorsey和Michael Reynolds;爱德华·埃斯波西托(Edward Esposito)曾是一所大学的工作人员,也是科恩实验室的技术员。

“This research breakthrough provides exciting scientific opportunity for investigating new questions relevant to the physics of active matter and may ultimately lead to futuristic robotic materials,” said Sam Stanton, program manager for the Army Research Office, an element of the Combat Capabilities Development Command’s Army Research Laboratory, which supported the research.

康奈尔材料研究中心的空军办公室空军办公室提供了额外的支持,这些材料研究中心研究了国家科学基金会研究科学和工程中心计划,以及康奈尔的Kavli研究所为纳米级科学提供支持。该工作是在康奈克纳米级科学和技术设施进行的。


Itai Cohen,艺术与科学学院的物理学教授,谈论了艺术与科学学院的物理学小组和工程学院的小组之间的跨学科研究。信贷:康奈尔大学

参考:“电子整合,大规模制造,微观机器人”由Marc Z.Miskin,Alejandro J. Cortese,Kyle Dorsey,Edward P. Esposito,Michael F. Reynolds,青春刘,Michael Ca,David A. Muller,Paul L。Mceuen和Itai Cohen,2020年8月26日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2626 - 9

1评论在“激光颠簸微观电子机器人走进步行 - 可以生产每硅晶片100万机器人”

  1. 伟大的东西和恢复电子产品的灵感。

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