I ricercatori del MIT hanno creato quelli che potrebbero essere i robot più piccoli ancora in grado di percepire il loro ambiente, immagazzina dati, e persino svolgere compiti di calcolo. Questi dispositivi, che hanno all'incirca le dimensioni di un ovulo umano, sono costituiti da minuscoli circuiti elettronici realizzati con materiali bidimensionali, piggybacking su minuscole particelle chiamate colloidi.

colloidi, quali particelle o molecole insolubili ovunque da un miliardesimo a un milionesimo di metro di diametro, sono così piccoli che possono rimanere sospesi indefinitamente in un liquido o addirittura nell'aria. Accoppiando questi minuscoli oggetti a circuiti complessi, i ricercatori sperano di gettare le basi per dispositivi che potrebbero essere dispersi per effettuare viaggi diagnostici attraverso qualsiasi cosa, dal sistema digestivo umano agli oleodotti e ai gasdotti, o forse per diffondersi nell'aria per misurare i composti all'interno di un processore chimico o di una raffineria.

"Volevamo capire i metodi per completare l'innesto, circuiti elettronici intatti su particelle colloidali, " spiega Michele Strano, il Carbon C. Dubbs Professor of Chemical Engineering al MIT e autore senior dello studio, che è stato pubblicato oggi sulla rivista Nanotecnologia della natura . Il postdoc del MIT Volodymyr Koman è l'autore principale del documento.

"I colloidi possono accedere agli ambienti e viaggiare in modi che altri materiali non possono, " dice Strano. Particelle di polvere, Per esempio, possono fluttuare indefinitamente nell'aria perché sono abbastanza piccoli che i movimenti casuali impartiti dalle molecole d'aria in collisione sono più forti della forza di gravità. Allo stesso modo, i colloidi sospesi nel liquido non si depositano mai.

Strano afferma che mentre altri gruppi hanno lavorato alla creazione di dispositivi robotici altrettanto piccoli, la loro enfasi è stata sullo sviluppo di modi per controllare il movimento, per esempio replicando i flagelli a forma di coda che alcuni organismi microbici usano per spingersi. Ma Strano suggerisce che potrebbe non essere l'approccio più fruttuoso, poiché flagelli e altri sistemi di movimento cellulare sono utilizzati principalmente per il posizionamento su scala locale, piuttosto che per un movimento significativo. Per la maggior parte degli scopi, rendere questi dispositivi più funzionali è più importante che renderli mobili, lui dice.

I minuscoli robot realizzati dal team del MIT sono autoalimentati, non richiedono alcuna fonte di alimentazione esterna o anche batterie interne. Un semplice fotodiodo fornisce il filo di elettricità che i circuiti dei minuscoli robot richiedono per alimentare i loro circuiti di calcolo e memoria. È abbastanza per far percepire loro le informazioni sul loro ambiente, memorizzare quei dati nella loro memoria, e poi far leggere i dati dopo aver compiuto la loro missione.

Tali dispositivi potrebbero in definitiva essere un vantaggio per l'industria petrolifera e del gas, Strano dice. Attualmente, il modo principale per verificare la presenza di perdite o altri problemi nelle condutture è avere una squadra che guidi fisicamente lungo il tubo e lo ispezioni con strumenti costosi. In linea di principio, i nuovi dispositivi potrebbero essere inseriti in un'estremità della pipeline, portato insieme al flusso, e poi rimosso all'altra estremità, fornendo una registrazione delle condizioni incontrate lungo il percorso, compresa la presenza di contaminanti che potrebbero indicare l'ubicazione di aree problematiche. I dispositivi di prova iniziale non avevano un circuito di temporizzazione che indicasse la posizione di particolari letture di dati, ma aggiungere che fa parte del lavoro in corso.

Allo stesso modo, tali particelle potrebbero essere potenzialmente utilizzate per scopi diagnostici nel corpo, ad esempio per passare attraverso il tubo digerente alla ricerca di segni di infiammazione o altri indicatori di malattia, dicono i ricercatori.

La maggior parte dei microchip convenzionali, come a base di silicio o CMOS, avere un appartamento, substrato rigido e non funzionerebbe correttamente se attaccato a colloidi che possono subire complesse sollecitazioni meccaniche mentre viaggiano attraverso l'ambiente. Inoltre, tutti questi chip sono "molto assetati di energia, " dice Strano. Ecco perché Koman ha deciso di provare materiali elettronici bidimensionali, compresi grafene e dicalcogenuri di metalli di transizione, che ha trovato potrebbe essere attaccato a superfici colloidali, rimanendo operativo anche dopo essere stato lanciato in aria o in acqua. E tale elettronica a film sottile richiede solo piccole quantità di energia. "Possono essere alimentati da nanowatt con tensioni subvolt, " dice Koman.

Perché non usare solo l'elettronica 2-D? Senza un substrato per portarli, questi minuscoli materiali sono troppo fragili per essere tenuti insieme e funzionare. "Non possono esistere senza un substrato, "Dice Strano. "Dobbiamo innestarle alle particelle per dare loro rigidità meccanica e per renderle abbastanza grandi da essere trascinate nel flusso".

Ma i materiali 2-D "sono abbastanza forti, abbastanza robusti da mantenere la loro funzionalità anche su substrati non convenzionali" come i colloidi, dice Koman.

I nanodispositivi che hanno prodotto con questo metodo sono particelle autonome che contengono elettronica per la generazione di energia, calcolo, logica, e archiviazione della memoria. Sono alimentati dalla luce e contengono minuscoli retroriflettori che consentono loro di essere facilmente individuati dopo i loro viaggi. Possono quindi essere interrogati tramite sonde per fornire i loro dati. Nei lavori in corso, il team spera di aggiungere capacità di comunicazione per consentire alle particelle di fornire i propri dati senza la necessità di un contatto fisico.

Altri sforzi nella robotica su nanoscala "non hanno raggiunto quel livello" di creazione di elettronica complessa sufficientemente piccola ed efficiente dal punto di vista energetico da essere aerosolizzata o sospesa in un liquido colloidale. Queste sono "particelle molto intelligenti, secondo gli standard attuali, "Strano dice, aggiungendo, "Vediamo questo documento come l'introduzione di un nuovo campo" nella robotica.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.