微米和纳米科技材料

协助手术和探索核泄漏的位置!铂金制成的微米机器人有点酷

今年3月份,国际顶级学术期刊《科学·机器人学》报道了一种可在溶液中工作的、微米尺度的电控微型机器人(图中的“千纸鹤”)。这项研究的第一作者是来自美国康奈尔大学的中国学者刘清坤。

Science Robotics 封面(来源:Science Robotics)

微米到底是多小呢?一根头发丝直径大约是50~100微米,这款电控微型机器人大约是一根头发丝的直径大小。如此小尺寸的机器人是如何工作的呢?打量一下这只“千纸鹤”,不难发现,想让其动起来,只需要对“翅膀”与“躯干”连接的部位(以下简称连接部位)进行可控的弯折即可,这样就等同于“千纸鹤”在挥动翅膀。也就是说,连接部位才是核心。而这核心部位竟是由铂金(以下用Pt代替)构成的!

当然了,这里的铂和生活中做成首饰的铂有些区别。打磨成首饰的铂是大块的、肉眼可见的,而这只微型千纸鹤中的铂则是纳米尺寸。纳米是一个长度单位,它是一千分之一微米,远小于肉眼的观测极限。一根头发丝的直径大约是五万纳米。连接部位的Pt实际上是一层7纳米厚的Pt薄膜,而这层薄膜生长在惰性层(inert layer)之上。由于Pt薄膜自身和惰性层之间存在特定的应力,Pt薄膜会形成弯曲的状态。将Pt薄膜进行氧化,这种应力会被消除掉,薄膜将会变成水平的状态。如果能可控地对Pt薄膜进行氧化和还原的循环,薄膜就可以从弯曲状态到水平状态循环变化,那么就可以实现千纸鹤扇动翅膀的功能了。

那么,如何控制Pt薄膜氧化还原的过程呢?这款微型机器人是在溶液环境中工作的,这恰恰是实现Pt薄膜可控氧化还原过程的关键。将Pt薄膜放置在溶液中(学者刘清坤用的是磷酸盐缓冲液),对薄膜施加正电压,溶液中的氧离子会在电场的驱动下吸附在Pt薄膜表面,进一步和薄膜发生氧化反应,形成PtOx(这里由于不能确定氧化后薄膜中Pt和O的比例关系,无法给出准确的配比,所以用PtOx表示,x即表示氧原子的占比是未知的)。相反,对薄膜施加负电压,薄膜会发生还原反应,氧离子又会回归到溶液中,PtOx又重新回到了Pt状态。通过实验探索,研究人员最终选用+1.1V和-0.5V的电压来控制Pt薄膜的氧化还原过程。并且,该过程的响应速度极快,只需约100毫秒。

如此高大上的微型机器人,是不是很难实现量产呢?其实不然,因为此款机器人是依靠现有的微电子加工工艺制作出来的。换言之,如果想要批量生产此款机器人,现有的芯片制造公司就可以完成。

微型机器人在医学、微观环境探测等领域具有重要的应用意义,有可能协助医生在人体内部进行手术;协助患者将特定成分的药物送往体内指定位置;协助人们探索难以触及的微观环境,比如核泄漏事故地点。未来,希望微型机器人有更广泛的应用空间,为我们的生活带来更多的便利。

作者:山东大学物理系博士任正峰

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