機(jī)器人正變得越來越小型化，浙江大學(xué)與麻省理工學(xué)院的學(xué)者近日成功設(shè)計(jì)出了細(xì)胞體大小的機(jī)器人，其能夠攜帶和收集周遭體內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)，幫助人們監(jiān)控健康狀況甚至攜帶藥物。這項(xiàng)研究以封面文章的形式被《自然材料》（Nature Materials）報(bào)道。
像包餃子一樣制作出首個(gè)膠體機(jī)器人
要制造出膠體機(jī)器人，課題組主要克服的兩個(gè)方面的難題：傳統(tǒng)自上而下的光刻技術(shù)不適用于膠體體系的規(guī)模加工和生產(chǎn)，以及原子厚度的石墨烯等二維材料薄而脆斷裂行為難以控制。
浙江大學(xué)化工學(xué)院劉平偉研究員和麻省理工學(xué)院的Michael S. Strano課題組合作首創(chuàng)了一種全新的微納加工技術(shù)—自動(dòng)穿孔（autoperforation）納米加工技術(shù)，解決了上述兩個(gè)挑戰(zhàn)。
該技術(shù)是一種基于二維材料可控?cái)嗔训募庸な侄危ㄟ^噴墨打印在二維材料表面構(gòu)建由聚合物或聚合物納米復(fù)合物的顆粒陣列，接著將另一種二維材料覆蓋在該陣列表面，形成夾層結(jié)構(gòu)。利用這種方法，可以定制得到殼層是連續(xù)二維材料，內(nèi)核為打印材料的特殊微粒。在加工方法可以精確的控制粒子殼層的二維材料種類、表面官能團(tuán)、內(nèi)核組成、顆粒形狀和大小等多個(gè)方面。劉平偉介紹，自動(dòng)打孔技術(shù)的操作條件簡(jiǎn)單，不需要使用成本高昂、操作復(fù)雜的無塵室。
什么是二維材料？一種超薄的、只具有單層或者少數(shù)幾層原子或分子厚的片狀納米材料，其在Z軸上電子運(yùn)動(dòng)受限，有著特殊的光電性能，同時(shí)還具有很好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，石墨烯是一種典型二維材料。
劉平偉研究員認(rèn)為該整個(gè)制作過程有些類似于“包餃子”，但不同的是一次能批量制備大量的“餃子”，由于石墨烯或者其它二維材料很薄且脆，其加工操作過程中一般需要襯底材料支撐，如聚合物層。通過利用化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的大面積、高質(zhì)量的二維材料并將其轉(zhuǎn)移到聚合物膜材上可以制得大面積的“餃子皮”，通過噴墨打印的方式可制作由納米顆粒組成的“餡料”（微粒）陣列。利用兩張“餃子皮”，可將該“餡料”陣列包裹起來。。最后通過選擇性的將聚合物膜材溶解，石墨烯或者其它二維材料將自然地貼合到“餡料”上，并且在“餡料”的引導(dǎo)下實(shí)先自動(dòng)穿孔切割，批量制得到含有二維材料表皮，納米顆粒復(fù)合而成的內(nèi)核的微粒。通過這種自穿孔納米加工技術(shù)可以制得尺寸從約10微米到100微米左右的微粒，他們類似于人體紅細(xì)胞，在顯微鏡下，具有像活的生物細(xì)胞類似的獨(dú)立、自由浮動(dòng)行為，可通過磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，因此也可以視作微粒機(jī)器人。
該自動(dòng)穿孔納米加工技術(shù)的獨(dú)特之處就是利用了二維材料如石墨烯本征的脆性以及通過施加特定的局部應(yīng)力場(chǎng)可引導(dǎo)二維材料的可控?cái)嗔眩M(jìn)而制得形狀和大小可控的二維碎片。例如，理論模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯包裹層附著在具有一定高度的圓柱形狀的聚合物粒子上時(shí)，處于圓柱邊緣的石墨烯會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而形成環(huán)向應(yīng)力場(chǎng)，該過程就像一塊桌布慢慢地落在一張圓形桌子上，桌子邊緣會(huì)發(fā)展產(chǎn)生環(huán)形應(yīng)變場(chǎng)。
這個(gè)機(jī)器人可在封閉環(huán)境上天入地
膠囊機(jī)器人的“細(xì)胞膜”有了，從此細(xì)胞內(nèi)外就有了明顯的界限，科學(xué)家們可以通過對(duì)細(xì)胞膜材料以及打印納米材料的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)多種不同的功能集成。
劉平偉介紹，這種機(jī)器人獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)以及二維材料的引入，賦予了這些“微粒特殊的電子功能和化學(xué)傳感功能，他們可以采集和記錄環(huán)境周圍的信息，包括記錄探針臺(tái)寫入的15個(gè)比特的電子信息，以及土壤和水體中的化學(xué)物質(zhì)信息，如金屬污染納米粒子或離子。因此，這些微粒機(jī)器人有望能廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)藥研究領(lǐng)域，也可以將其注入石油或天然氣管道，獲取所需的環(huán)境數(shù)據(jù)。
利用自動(dòng)打孔技術(shù)這種新的微納加工技術(shù)，研究人員可將原子般薄的表面裁剪成所需的形狀，并包裹不同的微納材料，以便應(yīng)用到不同的學(xué)科和領(lǐng)域?？傊?，自動(dòng)打孔技術(shù)也提供了一種全新的在微粒尺度內(nèi)集成不同微納電子器件的方法，有望用來大批量生產(chǎn)具有更復(fù)雜功能的微型自驅(qū)動(dòng)的膠體機(jī)器人。
劉平偉介紹細(xì)胞大小的智能機(jī)器人具有很大的應(yīng)用潛力，如將其分散、流動(dòng)到傳統(tǒng)電子器件難以進(jìn)入的封閉環(huán)境中，如石油、天然氣管道或人體的胃腸道以及血管中等，去采集、記錄和發(fā)送相應(yīng)環(huán)境的信息。
新加坡南洋理工大學(xué)科研人員在同期的雜志上專門撰寫了點(diǎn)評(píng)文章，認(rèn)為該研究提供了一種全新的微納制造技術(shù)，為二維材料和微納米顆粒的可控復(fù)合及表面功能性集成提供了新的思路。
劉平偉的這項(xiàng)研究從2015年開始，持續(xù)三年。論文第一作者為劉平偉研究員，美國(guó)麻省理工學(xué)院Michael Strano教授是該論文的通訊作者。該工作后期得到了浙江大學(xué)“百人計(jì)劃”啟動(dòng)基金等項(xiàng)目的支持。（本文圖片由課題組提供）
（文 柯溢能）
