能驱动纳米机器人的世上最小引擎研制成功

2016-05-04 13:08:00
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        科学家研制出一种微型引擎,它是世界上最小的引擎。科学家们表示,这是第一种能驱动纳米机器人——包括能在人体中行走的医用机器人——的引擎。

        这一原型设备称为作动纳米换能器(actuating nano-transducer)或“蚂蚁”(actuating nano-transducer的首字母缩写Ant),由微型金球和一种特殊的聚合物凝胶组合而成。它可产生一种微观尺度上的推动力,其单位重量推力是任何已知马达或肌肉的100倍。

        “多年来,大家一直在谈论制造纳米机器人,但它们仍未问世。”剑桥大学(Cambridge)教授、该项目带头人杰里米·邦伯格(Jeremy Baumberg)说,“为什么呢?这是因为直至今天,我们仍无法让纳米机器人在液体中移动——这就像是在纳米尺度的糖浆中游泳,分子力太强了。”

        他说,“蚂蚁”引擎——最初发布于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)——将提供充足的动力。“就像真正的蚂蚁一样,它们能够提供比自身重量大得多的力量。”他说,“我们目前面临的挑战是,如何控制这一力量为纳米机械所用。”

        “蚂蚁”的动力源自物理反应而不是化学反应。它包含金纳米颗粒,每个颗粒的直径约为0.06微米(相当于人类头发宽度的千分之一),这些颗粒与一种名为聚N-异丙基丙烯酰胺(pNIPAM)的凝胶状聚合物一起泡在水里。

        当温度升到临界温度32摄氏度以上时,金颗粒通过分子间吸引力与聚合物一道被紧紧束缚在一起。当温度降到32摄氏度以下时,聚合物突然吸收水分并膨胀——聚集的金颗粒被快速推散开来,就像弹簧一样。

        “这就像是爆炸,”该团队的另一成员Tao Ding说,“当水分子让金颗粒周围的聚合物膨胀时,数百个金球在百万分之一秒内飞散开来。”

        实验表明,这一反应是完全、快速可逆的。当温度再度升高时,随着聚合物包裹物把水分排出凝胶并围绕金颗粒收缩起来,“蚂蚁”可在瞬间储存大量弹性能。“整个过程就像是纳米弹簧,”邦伯格教授说。

        “蚂蚁”原型引擎用激光来控制系统的温度,但也可采用其他机制。临界点也可调整,比如把能量释放点设定为接近37摄氏度——人体的正常温度。

        “蚂蚁”或可通过一系列活塞冲程来驱动纳米机器人,这很像汽车的引擎,只是其尺寸是后者的数十亿分之一。

        “这一概念可为大量的未来设计提供支撑,”邦伯格教授说。该团队正与剑桥大学的商业化机构“剑桥实业”(Cambridge Enterprise)合作,开发这项技术的实际应用。

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updated: 2020-09-20 00:25:57