Des images optiques montrent des circuits réalisés par l'équipe de recherche, avant d'être attachés à des particules de quelques centaines de nanomètres de diamètre. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Des chercheurs du MIT ont créé ce qui pourrait être les plus petits robots à ce jour capables de détecter leur environnement, stocker des données, et même effectuer des tâches de calcul. Ces appareils, qui ont à peu près la taille d'un ovule humain, se composent de minuscules circuits électroniques faits de matériaux bidimensionnels, se greffer sur de minuscules particules appelées colloïdes.
Colloïdes, quelles particules ou molécules insolubles d'un milliardième à un millionième de mètre de diamètre, sont si petits qu'ils peuvent rester en suspension indéfiniment dans un liquide ou même dans l'air. En couplant ces minuscules objets à des circuits complexes, les chercheurs espèrent jeter les bases de dispositifs qui pourraient être dispersés pour effectuer des voyages de diagnostic à travers n'importe quoi, du système digestif humain aux oléoducs et oléoducs, ou peut-être flotter dans l'air pour mesurer les composés à l'intérieur d'un processeur chimique ou d'une raffinerie.
« Nous voulions trouver des méthodes pour greffer complètement, circuits électroniques intacts sur des particules colloïdales, " explique Michael Strano, le professeur Carbon C. Dubbs de génie chimique au MIT et auteur principal de l'étude, qui a été publié aujourd'hui dans la revue Nature Nanotechnologie . Le postdoctorant du MIT, Volodymyr Koman, est l'auteur principal de l'article.
"Les colloïdes peuvent accéder aux environnements et voyager d'une manière que d'autres matériaux ne peuvent pas, " dit Strano. Particules de poussière, par exemple, peuvent flotter indéfiniment dans l'air car ils sont suffisamment petits pour que les mouvements aléatoires imprimés par les molécules d'air en collision soient plus forts que l'attraction de la gravité. De la même manière, les colloïdes en suspension dans le liquide ne se déposeront jamais.
Les chercheurs ont produit de minuscules circuits électroniques, à peine 100 micromètres de diamètre, sur un matériau de substrat qui a ensuite été dissous pour laisser les dispositifs individuels flotter librement dans la solution. Ceux-ci ont ensuite été attachés à de minuscules particules colloïdales. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Strano dit que tandis que d'autres groupes ont travaillé sur la création de dispositifs robotiques tout aussi minuscules, leur accent a été mis sur le développement de moyens de contrôler les mouvements, par exemple en reproduisant les flagelles en forme de queue que certains organismes microbiens utilisent pour se propulser. Mais Strano suggère que ce n'est peut-être pas l'approche la plus fructueuse, étant donné que les flagelles et autres systèmes de mouvement cellulaire sont principalement utilisés pour le positionnement à l'échelle locale, plutôt que pour un mouvement important. Dans la plupart des cas, rendre ces appareils plus fonctionnels est plus important que de les rendre mobiles, il dit.
Les petits robots fabriqués par l'équipe du MIT sont auto-alimentés, ne nécessitant aucune source d'alimentation externe ni même des batteries internes. Une simple photodiode fournit le filet d'électricité dont les minuscules circuits de robots ont besoin pour alimenter leurs circuits de calcul et de mémoire. C'est suffisant pour leur permettre de percevoir des informations sur leur environnement, stocker ces données dans leur mémoire, et ensuite faire lire les données après avoir accompli leur mission.
De tels dispositifs pourraient finalement être une aubaine pour l'industrie pétrolière et gazière, dit Strano. Actuellement, le principal moyen de vérifier les fuites ou d'autres problèmes dans les pipelines est d'avoir une équipe qui conduit physiquement le long du tuyau et l'inspecte avec des instruments coûteux. En principe, les nouveaux appareils pourraient être insérés dans une extrémité du pipeline, emporté par le courant, puis retiré à l'autre extrémité, fournir un enregistrement des conditions qu'ils ont rencontrées en cours de route, y compris la présence de contaminants qui pourraient indiquer l'emplacement des zones à problèmes. Les dispositifs de validation de principe initiaux n'avaient pas de circuit de synchronisation qui indiquerait l'emplacement de lectures de données particulières, mais ajouter cela fait partie du travail en cours.
De la même manière, ces particules pourraient potentiellement être utilisées à des fins de diagnostic dans le corps, par exemple pour traverser le tube digestif à la recherche de signes d'inflammation ou d'autres indicateurs de maladie, disent les chercheurs.
Pour démontrer comment de telles particules pourraient être utilisées pour tester des échantillons biologiques, l'équipe a placé une solution contenant les appareils sur une feuille, puis utilisé les réflecteurs internes des appareils pour les localiser pour les tests en braquant un laser sur la feuille. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
La plupart des puces électroniques conventionnelles, comme à base de silicium ou CMOS, avoir un appartement, substrat rigide et ne fonctionnerait pas correctement lorsqu'il est attaché à des colloïdes qui peuvent subir des contraintes mécaniques complexes lors de leur déplacement dans l'environnement. En outre, toutes ces puces sont "très assoiffées d'énergie, " dit Strano. C'est pourquoi Koman a décidé d'essayer des matériaux électroniques bidimensionnels, y compris le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition, qu'il a trouvé pourrait être attaché à des surfaces colloïdales, restant opérationnel même après avoir été lancé dans l'air ou dans l'eau. Et une telle électronique à couche mince ne nécessite que de minuscules quantités d'énergie. "Ils peuvent être alimentés par des nanowatts avec des tensions subvolts, " dit Koman.
Pourquoi ne pas utiliser uniquement l'électronique 2D ? Sans substrat pour les porter, ces minuscules matériaux sont trop fragiles pour tenir ensemble et fonctionner. "Ils ne peuvent exister sans substrat, " dit Strano. " Nous devons les greffer aux particules pour leur donner une rigidité mécanique et les rendre suffisamment grosses pour être entraînées dans le flux. "
Mais les matériaux 2-D "sont assez solides, suffisamment robuste pour maintenir leur fonctionnalité même sur des substrats non conventionnels" tels que les colloïdes, dit Koman.
Les nanodispositifs qu'ils ont produits avec cette méthode sont des particules autonomes qui contiennent de l'électronique pour la production d'électricité, calcul, logique, et stockage en mémoire. Ils sont alimentés par la lumière et contiennent de minuscules rétroréflecteurs qui leur permettent d'être facilement localisés après leurs déplacements. Ils peuvent ensuite être interrogés grâce à des sondes pour livrer leurs données. Dans les travaux en cours, l'équipe espère ajouter des capacités de communication pour permettre aux particules de fournir leurs données sans avoir besoin de contact physique.
D'autres efforts en robotique à l'échelle nanométrique "n'ont pas atteint ce niveau" de création d'électronique complexe suffisamment petite et économe en énergie pour être aérosolisée ou suspendue dans un liquide colloïdal. Ce sont des "particules très intelligentes, selon les normes en vigueur, " Strano dit, ajouter, "Nous voyons cet article comme l'introduction d'un nouveau domaine" en robotique.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
