ייצור המוני של רובוטים בגודל תא

חוקרים גילו שיטה לייצור המוני של רובוטים זעירים במיוחד, בגודל של תא, שיטה שתוכל לשמש עבור ניטור תעשייתי או ביו-רפואי

רובוטים זעירים, בגודל שלא עולה על גודלו של תא אנושי, יוכלו להיות מיוצרים בייצור המוני בעזרת שיטה חדישה שפותחה על ידי חוקרים ממכון מסצ’וסטס לטכנולוגיה, אם-אי-טי. ההתקנים המיקרוסקופים הללו, שאותם מכנים אנשי צוות המחקר בשם “syncells” ( תאים סינתטיים), יוכלו, בסופו של תהליך הפיתוח, לנטר את התנאים המתקיימים בתוך צינור נפט או שמן, או אפילו לחפש ולאתר מחלות בעודם נעים בזרם הדם. המפתח להכנת התקנים כה זעירים במסגרת ייצור המוני טמון בשיטה שפיתחו החוקרים לשם בקרת תהליך הריסוק הטבעי של חומרים שבירים בעובי חד-אטומי כך שבתוכם יתהוו כיסים בעלי גודל וצורה הניתנים לחיזוי. בתוך הכיסים הללו החוקרים הצליחו להטמיע מעגלים אלקטרוניים וחומרים אחרים המסוגלים לאסוף, לתעד ולפלוט מידע. התהליך החדשני, המכונה בשם “autoperforation”, מתואר במאמר שפורסם זה מכבר בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Materials, על ידי פרופסור Michael Strano.

המערכת עושה שימוש בתצורה דו-ממדית של רשת אטומי פחמן הקרויה בשם גרפן (graphene), חומר המרכיב את המבנה החיצוני של התאים הסינתטיים הזעירים. שכבה יחידה של החומר מונחת על גבי משטח, ואז נקודות זעירות של חומר פולימרי, המכילות את רכיבי האלקטרוניקה של ההתקנים, מוטמעים בתוכה על ידי גרסה מתקדמת של מכשיר מסוג מדפסת הזרקה. בשלב הבא, מונחת שכבה נוספת של גרפן על גבי המשטח הראשון המכיל כבר את רכיבי האלקטרוניקה.
אנשים מדמים את החומר גרפן, חומר דקיק במיוחד וחזק מאוד, בתור משטח גמיש, אך הוא למעשה חומר די שביר, מסביר החוקר הראשי. אולם, במקום להתייחס לשבריריות זו כאל בעיה, צוות המחקר מצא דרך דווקא לנצל את היתרונות של מאפיין זה. “גילינו שניתן לנצל את השבריריות הזו,” מסביר החוקר הראשי. השיטה החדשה שולטת על תהליך הריסוק כך שבמקום לקבל שברים אקראיים של החומר, בדומה לרסיסי זכוכית שנשברה, מתקבלים פיסות בעלות גדלים וצורות מוגדרים.

“גילינו שאנו יכולים להשרות שדה עיבור שיגרום לכך שהריסוק יהיה מוכוון, ואז ניתן להשתמש במנגנון זה בכדי לשלוט בטיב החומר המיוצר,” מסביר החוקר.

כאשר השכבה העליונה של גרפן מונחת על גבי מערך הנקודות הפולימריות, היוצרות צורות של עמודים מעוגלים, המקומות שבהם כיסוי הגרפן היה מעל הקצוות המעוגלות של העמודים יוצרים תוואי של עיבור גבוה בחומר. “דמיינו מפת שולחן המונחת באיטיות על גבי משטח של שולחן עגול. ניתן לדמיין בקלות את היווצרות העיבור המעוגל לכיוון שפות השולחן, והדבר דומה מאוד למה שקורה כאשר יריעה שטוחה של גרפן מונחת על גבי עמודים פולימריים מודפסים אלו”, מסביר אחד מהחוקרים. כתוצאה מכך, השברים מתרכזים בדיוק לאורך מתווה זה. בשלב הבא מתרחש דבר מדהים: הגרפן נשבר במלואו, אולם השברים מוכוונים לאורך ההיקף של העמודים”. התוצאה המתקבלת היא פיסה עגולה של גרפן הנראית כאילו היא נוצרה על ידי מנקב (מכשיר המחורר דפים) מיקרוסקופי. מאחר וישנן שתי שכבות של גרפן, מעל ומתחת לעמודי הפולימר, שתי הדסקות הנוצרות נצמדות אחת לשנייה בקצותיהן, בדומה לפיתה זעירה, כאשר הפולימר כלוא בחלקה הפנימי. “והיתרון הטמון פה הוא בכך שהכל נוצר בשלב יחיד, זאת בניגוד לשלבים מורכבים רבים אחרים המתבצעים בחדר נקי במסגרת תהליכים אחרים שנועדו ליצור התקנים רובוטיים מיקרוסקופיים”, מציין החוקר. החוקרים הראו שגם חומרים דו-ממדיים אחרים, כגון מוליבדן דיסולפיד או בור-ניטריד הקסאגונלי, פועלים בצורה זהה.

עצמים זעירים אלו, שטווח הגודל שלהם משתרע מגודלו של תא אדום אנושי, באורך של עשרה מיקרומטרים, ועד פי עשרה מגודל זה, “מתחילים להיראות ולהתנהג ממש כמו תא ביולוגי חי. למעשה, אם נניח אותם מתחת למיקרוסקופ, נוכל לשכנע את רוב האנשים שזה באמת מבנה של תא,” אומר החוקר.

מחקר זה נסמך על מחקר קודם בקבוצתו של Strano שבו צוות החוקרים הצליח לפתח תאים סינתטיים המסוגלים לאסוף מידע אודות הכימיה או אודות התכונות האחרות של סביבתם, זאת באמצעות גלאים הנמצאים על גבי פני השטח שלהם, ואשר מסוגלים לאחסן את המידע כך שניתן יהיה לאחזר אותו מאוחר יותר; למשל – הזרקת אוסף של חלקיקים כאלו בקצה האחד של קו צנרת ואיסופם בקצה השני של הקו במטרה לאסוף נתונים באשר לתנאים המתקיימים בתוך הצנרת.
מלבד השימושים האפשריים בתאים סינתטיים אלו במסגרת ניטור תעשייתי או ביו-רפואי, השיטה להכנתם של התקנים אלו היא בעצמה המצאה חדשה בעלת יכולת מרובה, זאת לדברי החוקרים. “הליך כללי זה לשימוש בשברים מוכוונים בתור שיטת יצור יוכל להיות מורחב ליישומים רבים אחרים”. ניתן יהיה למעשה להשתמש בשיטה זו עבור כל סוג של חומר דו-ממדי, כאשר לחוקרים תהיה האפשרות לבצע התאמה אישית של משטחים חד-אטומיים אלו לכל צורה, מבנה וגודל הנדרש להם בתחומים אחרים”.

החוקר מסביר כי השיטה החדשה: “היא אחת מהשיטות היחידות הזמינות כיום לשם ייצור עצמאי של מיקרו רכיבי אלקטרוניקה משולבים בקנה מידה מסחרי” שעשויים לתפקד בתור התקנים עצמאיים. כתלות בסוג רכיבי האלקטרוניקה שבתוכם, ההתקנים יוכלו לספק יכולות של תנועה, איתור חומרים כימיים או תכונות אחרות, ואפילו אחסון זיכרון.

לשם הדגמת היישומים של השיטה החדשנית, צוות המחקר חרט את האותיות MIT על גבי מערך זיכרון של תא סינתטי, המאחסן את המידע בתור רמות משתנות של מוליכות חשמלית. בשלב הבא מידע זה ניתן “לקריאה” בעזרת מכשיר בדיקה חשמלי, עובדה המוכיחה כי החומר יכול לתפקד בתור סוג של זיכרון אלקטרוני שבו ניתן יהיה לכתוב, לקרוא ולמחוק נתונים. ההתקן יוכל לשמר את הנתונים מבלי צריכה של חשמל, עובדה שתאפשר לאסוף מידע בכל עת מאוחר יותר. החוקרים הוכיחו כי החלקיקים יציבים למשך תקופה של חודשים רבים, אפילו אם הם צפים במים, ממס שבדרך כלל מזיק לרכיבי אלקטרוניקה. “אני סבור כי השיטה שלנו מספקת כלי עבודה חדש לחלוטין עבור תעשיות המיקרו- והננו-ייצור”, אומר החוקר.

תקציר המאמר

הידיעה על המחקר

תמונה המציגה את העיגולים על גבי יריעת גרפן הנפרדים אחת מהשנייה בעקבות לחץ. [באדיבות: Felice Frankel]