作者：李小李 本文受权转载自DeepTech深科技（ID：mit-tr） 1959 年，理查德·费曼在加州理工学院美国物理学年会的演讲--《物质底层大有空间》（There's plenty room at the bottom）提出了在原子尺度上中止纳米操作和装配的可能性，以极高的前瞻性预言了 21 世纪各国争相占领的高地—— 纳米技术。
图 | 理查德·费曼 著名科学家钱学森也说过：“纳米技术是二十一世纪科技展开的重点，会是一次技术反动，还会是一次产业反动。” 不时以来，科学家们也在不时地拓展纳米技术，一个重要方向正是纳米机器人。 其中一类纳米机器人指的是由纳米或者分子级别的成分构成的、大小在 0.1-10 微米的纳米机器人，另一类纳米机器人指的是能够与纳米级物体中止精确交互的纳米操作机器人，今天要引见的正是这一类机器人。 上个月的《自然·通讯》（Nature Communication）杂志上，我们终于得以见识到一款称得上是“神奇资料建造师”的纳米操作机器人的尊容，日本东京大学工业科学研讨所 ( Institute of Industrial Science, University of Tokyo)的研讨者 Satoru Masubuchi、Tomoki Machida 及其同事研发的纳米组装机器人系统，曾经十分接近商业化。 上周的《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上则刊登了马德里高级研讨所 ( IMDEA) 的研讨员 Riccardo Frisenda 和 Andres Castellanos-Gomez 的一篇关于这项研讨的剖析文章。他们以为，该纳米机器人系统不只改写了纳米技术研讨的游戏规则，还翻开了大范围纳米制造的前景。
置信看过“复联3” 的读者一定对钢铁侠的“新战袍” —— 纳米机甲有印象，这款机甲的一大特性就是贮存了大量的纳米机器人以便随时修复机甲。固然，此次论文研讨的纳米机器人系统并不能担此重担，但是，它们同样背负着一个重要任务—— 以远超人类手工速度的效率完成范德华（vdW）异质结构的个性化制造，而范德华异质结构正是科学家梦寐以求的后摩尔时期的神奇资料。 这套“准商业化”的纳米机器人系统提供了一种高效的完成复杂 vdW 异质结构个性化设计和自动化组装的技术，有望进一步开发 vdW 异质结构的电子多样性，完成新型功用性微电子及光电子器件的制造，以及提示新的 2D 物理学机制。 突破瓶颈，冲击后摩尔时期的资料梦 简而言之，不同二维资料人工叠加在一同，就构成了 vdW 异质结构。这种结构自身就是新型人工资料，相当于“原子层面的乐高”（atomic-scale lego）。这种按需设计和叠加的人工结构极大地丰厚了资料的属性，因而被以为是自然界中并不存在但却性能优秀的神奇资料。
图 | 二维资料和范德华异质结构 试想一下，将性质悬殊的不同二维资料堆叠在一同，就能发明出无限丰厚的新资料和新物理特性，这使得vdW异质结构的吸收力远高于二维资料自身，而这种技术也使得人类对资料的设计变得史无前例的简单，以至还挖掘了许多新奇的物理现象：好比第一次察看到了由 Hof-stadter预言的分形朗道量子化，还察看到分形量子霍尔效应、高质量的量子震荡、共振隧穿效应等。而这些仅仅是这种“原子层乐高”无限可能性中的冰山一角而已。 但是，能否以低成本、高效率批量化消费设计可控、结构复杂的 vdW 异质结构关系到其能否能够在应用上有足够的前景。 目前，这种神奇资料的制造仍严重依赖于人工操作实验仪器，触及十分多繁复的人工操作环节。因而，对 vdW 异质结构的研讨正处于一个难以突破的瓶颈状态：高复杂度需求与低制造可行性正在相互矛盾。显然，要处置这个问题，需求技术上的突破。 研讨者们曾经提出了一些自动化技术，可是，受限于集成 vdW 异质结构制造、计算机视觉和机器人技术所面临的重重技术障碍，目前还没有完成真正的 vdW 异质结构自动化制造技术。 为理处置这个问题，科学家们将眼光投向了纳米机器人。此次日本研讨者们开发的自动化纳米机器人系统，最大的突破之一便在于能够高效的自动辨认并分类二维晶体，经过自动化转移机械臂和压印技术完成复杂的 vdW 超晶格组装。
图 | 29层G/hBN范德华超晶格结构及其层层叠加边沿轨 而且，这套纳米机器人该系统能够以极小的误差（<7%，原来的辨认算法真实检测率小于50%）每小时自动辨认 400 个单层石墨烯片，每小时能中止四个周期的指定二维晶体的组装，而每个周期仅需几分钟的人工干预。 目前，应用该机器人系统能够制造出由石墨烯和六方氮化硼交替叠加而组成的 29 层 G/hBN (石墨/六方氮化硼) 超晶格结构，突破了 2015 年 F. Withers 团队创下的 13 层记载。 拆解“神奇资料建造师”三大中心部分 那么，这款纳米机器人系统是如何完成这些惊人效果的？ 答案在于其关键的三大组成部分：自动光学显微镜、芯片转移机械臂以及压印装置。
图 | 纳米操作机器人系统 其中，自动光学显微镜担任对资料完成分类和辨认。分离高效的计算机视觉算法，自动显微系统每小时能剖析 12000 张光学图像（每秒超越 3 张）以搜索和辨认出机械剥离的二维资料薄片，并依据二维资料薄片的厚度中止分类。另外，辨认出的二维晶体的位置坐标和形貌特征都会存储在后台数据库，以便用户访问。系统还允许用户提供个性化设计的资料层叠次第和方向。 值得一提的是，作者提出改进的图像处置算法，依据颜色对比和信息熵阈值两条途径对光学图像中止搜索和辨认，从而极大地降低了辨认错误率。
图 | 自动化搜索二维晶体 辨认之后，系统会开端组装。在组装过程中，经过检索数据库并在机器视觉算法的引导下，机器人系统会以特定次第选择不同的二维晶体薄片，并经过芯片机械臂转移。
图 | 目的芯片转移
图 | 目的二维晶体片的对准、拾取与压印 再经过压印配备上的聚合物印章以特定方向将二维晶体薄片按次第堆叠为复杂的 vdW 异质结构，同步不时重复后两个步骤，我们就能够取得多层 vdW 异质结构的制造。
图 | 自动组装流程 翻开大范围纳米制造的前景 本周的《自然·纳米技术》的一篇关于这项研讨的剖析文章，更是用一个简单的数学计算证明了这个纳米机器人系统的商业化潜力：研讨者需求花好几天的手工组装时间才干取得 13 层 vdW 异质结构，而这款纳米机器人系统仅需 32 小时就能组装出 29 层 vdW 异质结构，而这还只是一个小小的开胃菜。
图 | 这款纳米机器人系统仅需 32 小时就能组装出 29 层 vdW 异质结构 Castellanos-Gomez 称：“这款机器人系统所耗费的时间还有很大的提升空间。目前，限制速度的主要缘由之一在于每一次转移步骤都需求中止中缀以央求人类监视员的答应。这一人工监视步骤主要是为了校准机器人自动对准过程中产生的 10 微米误差。 假如配合市场上已有的高精度移动平台（这种技术是现成的），就能省去这个人工监视步骤，我置信这将大大加快组装进程。” Castellanos-Gomez 以为，这个系统是完成从原子机械组装分子的一种雏形。不同于制造业常用的“自顶向下”（top-down）的措施是由块材中止减材来消费小器件，好比硅工业中从宏观的晶片经过光刻等工艺取得极微小的晶体管。在日本研讨者开发的系机器人统中，他们采用的是“自下而上”（bottom-up）的措施，应用原子层厚度的二维资料层层堆叠而构成纳米器件。 当然，也有一些自组装的措施能够构成层叠的 vdW 异质结构并且不需求人工的参与。但是，这些自组装措施只能制造出简单的具有 A-B-A-B-A-B 交叠层的异质结构。相比之下，机器人技术就能够很容易地消费出用户自定义的恣意的更复杂和更个性化的异质结构。 因而，这项工作的意义不只在于发明了一种能减轻科研人员人力担负的工具，还为制造复杂叠层异质结构和研讨新的物理现象提供了可能性，而这是目前人工操作所不能完成的。并且，该系统还有利于纳米器件的大范围集成，该过程触及到精确的、可重复的二维资料薄片的自动化辨认和堆叠。 当然，任何新技术的成熟都会伴有一些应战。 该系统仍旧面临许多亟待处置的问题：如何去除人工监视校准步骤，完成转移过程的完整自动化？目前的二维资料剥离以及最终产物转移至目的基底等步骤还是裸露于空气中，如何使整个工艺过程都处于环境可控的氛围中？此外，固然作者曾经提供了十分全面的系统操作描画并且开源了所运用的软件，还需求思索进一步降低系统的操作复杂性以利于潜在用户的运用。
图 | 纳米操作机器人 但是，固然还有很多应战，该机器人系统是完成基于二维资料的恣意复杂性纳米器件的重要一步。 就目前而言，想要让这个纳米机器人系统不只成为实验室低价劳动力的替代，同时完成大范围纳米制造的飞跃，研讨者就必须证明其与化学气相堆积（CVD）法大范围生长二维资料的兼容性。Castellanos-Gomez 说：“目前为止，曾经证明了这项技术能够很好地应用于机械剥离二维资料薄片的堆叠。固然目前仍仅限于实验室运用，但我以为在不久的未来将其用于 CVD 资料也不会有很大的技术难度。” 正如 Castellanos-Gomez 所说：“这个机器人系统看起来曾经很接近商业化了”。 目前关于二维 vdW 资料的研讨正处于升温阶段，随着纳米操作机器人自动化组装技术的推行，能够预见越来越多的 vdW 资料体系将进入我们的视野，更多的具有新奇和优秀性能的资料有望问世。 -End- 参考： https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/robotic-system-leads-to-mass-assembly-of-nanostructures https://zhuanlan.zhihu.com/p/22622037 声明： 凡注明“来源：XXX”的文章，均转载自其它媒体，转载的目的在于传送更多信息，并不代表本平台赞同其观念和对其真实性担任。其它媒体、网站或个人转载运用时必须保存本平台注明的文章来源，并自傲法律义务。 |
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