日本造出“准商业化”纳米组装机器人,并将迎来高速自动化生产

机器人
日本造出“准商业化”纳米组装机器人,并将迎来高速自动化生产
麻省理工科技评论 2018年6月5日

2018年6月5日

“这个机器人系统看起来已经很接近商业化了”。
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“这个机器人系统看起来已经很接近商业化了”。

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进行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。

著名科学家钱学森也说过:“纳米技术是二十一世纪科技发展的重点,会是一次技术革命,还会是一次产业革命。”一直以来,科学家们也在不断地拓展纳米技术,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可以与纳米级物体进行精确交互的纳米操作机器人,今天要介绍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“神奇材料建造师”的纳米操作机器人的尊容,日本东京大学工业科学研究所 ( Institute of Industrial Science, University of Tokyo)的研究者 Satoru Masubuchi、Tomoki Machida 及其同事研发的纳米组装机器人系统,已经非常接近商业化。

上周的《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上则刊登了马德里高级研究所 ( IMDEA) 的研究员 Riccardo Frisenda 和 Andres Castellanos-Gomez 的一篇关于这项研究的分析文章。他们认为,该纳米机器人系统不仅改写了纳米技术研究的游戏规则,还打开了大规模纳米制造的前景。相信近期看过“复联3” 的读者一定对钢铁侠的“新战袍” —— 纳米机甲有印象,这款机甲的一大特点就是储存了大量的纳米机器人以便随时修复机甲。虽然,此次论文研究的纳米机器人系统并不能担此重任,但是,它们同样背负着一个重要使命—— 以远超人类手工速度的效率实现范德华(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代的神奇材料。

这套“准商业化”的纳米机器人系统提供了一种高效的实现复杂 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,实现新型功能性微电子及光电子器件的制造,以及揭示新的 2D 物理学机制。


打破瓶颈,冲击后摩尔时代的材料梦

简而言之,不同二维材料人工叠加在一起,就形成了 vdW 异质结构。这种结构本身就是新型人工材料,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富了材料的属性,因此被认为是自然界中并不存在但却性能优异的神奇材料。此前,DT 君报道的《 21岁MIT中国科学家连发两篇《Nature》论文:室温超导有望实现重大突破,石墨烯揭开其中“魔法” | 独家 》一文中,其实现突破的材料便是 vdW 异质结构。

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图 | 二维材料和范德华异质结构

试想一下,将性质迥异的不同二维材料堆叠在一起,就能创造出无限丰富的新材料和新物理特性,这使得vdW异质结构的吸引力远高于二维材料本身,而这种技术也使得人类对材料的设计变得前所未有的简单,甚至还发掘了许多新奇的物理现象:比如第一次观察到了由 Hof-stadter预言的分形朗道量子化,还观察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。

然而,能否以低成本、高效率批量化生产设计可控、结构复杂的 vdW 异质结构关系到其是否能够在应用上有足够的前景。目前,这种神奇材料的制造仍严重依赖于人工操作实验仪器,涉及非常多繁复的人工操作环节。因此,对 vdW 异质结构的研究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,要解决这个问题,需要技术上的突破。

研究者们已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,目前还没有实现真正的 vdW 异质结构自动化制造技术。为了解决这个问题,科学家们将目光投向了纳米机器人。此次日本研究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识别并分类二维晶体,通过自动化转移机械臂和压印技术实现复杂的 vdW 超晶格组装。

而且,这套纳米机器人该系统能够以极小的误差(<7%,原来的识别算法真实检测率小于50%)每小时自动识别 400 个单层石墨烯片,每小时能进行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,利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,打破了 2015 年 F. Withers 团队创下的 13 层记录。


拆解“神奇材料建造师”三大核心部分

那么,这款纳米机器人系统是如何实现这些惊人效果的?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。

其中,自动光学显微镜负责对材料实现分类和识别。结合高效的计算机视觉算法,自动显微系统每小时能分析 12000 张光学图像(每秒超过 3 张)以搜索和识别出机械剥离的二维材料薄片,并根据二维材料薄片的厚度进行分类。另外,识别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材料层叠顺序和方向。

值得一提的是,作者提出改进的图像处理算法,根据色彩对比和信息熵阈值两条路径对光学图像进行搜索和识别,从而极大地降低了识别错误率。识别之后,系统会开始组装。在组装过程中,通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顺序挑选不同的二维晶体薄片,并通过芯片机械臂转移。

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图 | 目标二维晶体片的对准、拾取与压印

再通过压印装备上的聚合物印章以特定方向将二维晶体薄片按顺序堆叠为复杂的 vdW 异质结构,同步不断重复后两个步骤,我们就能够获得多层 vdW 异质结构的制造。

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图 | 自动组装流程


打开大规模纳米制造的前景

本周的《自然·纳米技术》的一篇关于这项研究的分析文章,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:研究者需要花好几天的手工组装时间才能获得 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。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,限制速度的主要原因之一在于每一次转移步骤都需要进行中断以请求人类监督员的许可。这一人工监督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。 如果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督步骤,我相信这将大大加快组装进程。”

Castellanos-Gomez 认为,这个系统是实现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)的方法是由块材进行减材来生产小器件,比如硅工业中从宏观的晶片通过光刻等工艺获得极微小的晶体管。在日本研究者开发的系机器人统中,他们采用的是“自下而上”(bottom-up)的方法,利用原子层厚度的二维材料层层堆叠而形成纳米器件。当然,也有一些自组装的方法能够形成层叠的 vdW 异质结构并且不需要人工的参与。然而,这些自组装方法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,机器人技术就可以很容易地生产出用户自定义的任意的更复杂和更个性化的异质结构。

因此,这项工作的意义不仅在于发明了一种能减轻科研人员人力负担的工具,还为制造复杂叠层异质结构和研究新的物理现象提供了可能性,而这是目前人工操作所不能实现的。并且,该系统还有利于纳米器件的大规模集成,该过程涉及到精确的、可重复的二维材料薄片的自动化识别和堆叠。当然,任何新技术的成熟都会伴有一些挑战。该系统仍旧面临许多亟待解决的问题:如何去除人工监督校准步骤,实现转移过程的完全自动化?目前的二维材料剥离以及最终产物转移至目标基底等步骤还是暴露于空气中,如何使整个工艺过程都处于环境可控的氛围中?此外,虽然作者已经提供了非常全面的系统操作描述并且开源了所使用的软件,还需要考虑进一步降低系统的操作复杂性以利于潜在用户的使用。

然而,尽管还有很多挑战,该机器人系统是实现基于二维材料的任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廉价劳动力的替代,同时实现大规模纳米制造的飞跃,研究者就必须证明其与化学气相沉积(CVD)法大规模生长二维材料的兼容性。Castellanos-Gomez 说:“目前为止,已经证明了这项技术能够很好地应用于机械剥离二维材料薄片的堆叠。虽然目前仍仅限于实验室使用,但我认为在不久的将来将其用于 CVD 材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已经很接近商业化了”。目前对于二维 vdW 材料的研究正处于升温阶段,随着纳米操作机器人自动化组装技术的推广,可以预见越来越多的 vdW 材料体系将进入我们的视野,更多的具有新奇和优异性能的材料有望问世。

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