日本造出“准贸易化”纳米组拆机器人，并将迎来高速主动化消费

1959 年，理查德·费曼在加州理工学院美国物理学年会的演讲--《物量底层大有空间》（There's plenty room at the bottom）提出了在原子标准长进行纳米操做和拆配的可能性，以极高的前瞻性预言了 21 世纪列国争相占领的高地—— 纳米手艺。

图 | 理查德·费曼

出名科学家钱学森也说过：“纳米手艺是二十一世纪科技开展的重点，会是一次手艺革命，还会是一次财产革命。”

不断以来，科学家们也在不竭地拓展纳米手艺，一个重要标的目的恰是纳米机器人。

此中一类纳米机器人指的是由纳米或者分子级此外成分构成的、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停止切确交互的纳米操做机器人，今天要介绍的恰是那一类机器人。

上个月的《天然·通信》（Nature Communication）杂志上，我们末于得以见识到一款称得上是“奇异质料建造师”的纳米操做机器人的尊容，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拆机器人系统，已经十分接近贸易化。

上周的《天然·纳米手艺》（Nature Nanotechnology）杂志上则登载了马德里高级研究所 ( IMDEA) 的研究员 Riccardo Frisenda 和 Andres Castellanos-Gomez 的一篇关于那项研究的阐发文章。他们认为，该纳米机器人系统不只改写了纳米手艺研究的游戏规则，还翻开了大规模纳米造造的前景。

相信近期看过“复联3” 的读者必然对钢铁侠的“新战袍” —— 纳米机甲有印象，那款机甲的一大特点就是贮存了大量的纳米机器人以便随时修复机甲。固然，此次论文研究的纳米机器人系统其实不能担此重任，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实现范德华（vdW）异量构造的个性化造造，而范德华异量构造恰是科学家求之不得的后摩尔时代的奇异质料。

那套“准贸易化”的纳米机器人系统供给了一种高效的实现复杂 vdW 异量构造个性化设想和主动化组拆的手艺，有望进一步开发 vdW 异量构造的电子多样性，实现新型功用性微电子及光电子器件的造造，以及提醒新的 2D 物理学机造。

突破瓶颈，冲击后摩尔时代的质料梦简而言之，差别二维质料人工叠加在一路，就构成了 vdW 异量构造。那种构造自己就是新型人工质料，相当于“原子层面的乐高”（atomic-scale lego）。那种按需设想和叠加的人工构造极大地丰硕了质料的属性，因而被认为是天然界中其实不存在但却性能优良的奇异质料。

此前，DT 君报导的《 21岁MIT中国科学家连发两篇《Nature》论文：室温超导有望实现严重打破，石墨烯揭开此中“魔法” | 独家 》一文中，其实现打破的质料即是 vdW 异量构造。

图 | 二维质料和范德华异量构造

试想一下，将性量悬殊的差别二维质料堆叠在一路，就能缔造出无限丰硕的新质料和新物理特征，那使得vdW异量构造的吸引力远高于二维质料自己，而那种手艺也使得人类对质料的设想变得史无前例的简单，以至还挖掘了许多别致的物理现象：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、高量量的量子震荡、共振隧穿效应等。而那些仅仅是那种“原子层乐高”无限可能性中的冰山一角罢了。

然而，能否以低成本、高效率批量化消费设想可控、构造复杂的 vdW 异量构造关系到其能否可以在应用上有足够的前景。

目前，那种奇异质料的造造仍严峻依赖于人工操做尝试仪器，涉及十分多繁复的人工操做环节。因而，对 vdW 异量构造的研究正处于一个难以打破的瓶颈形态：高复杂度需求与低造造可行性正在彼此矛盾。显然，要处理那个问题，需要手艺上的打破。

研究者们已经提出了一些主动化手艺，可是，受限于集成 vdW 异量构造造造、计算机视觉和机器人手艺所面对的重重手艺障碍，目前还没有实现实正的 vdW 异量构造主动化造造手艺。

为领会决那个问题，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主动化纳米机器人系统，更大的打破之一便在于可以高效的主动识别并分类二维晶体，通过主动化转移机械臂和压印手艺实现复杂的 vdW 超晶格组拆。

图 | 29层G/hBN范德华超晶格构造及其层层叠加边沿轨

并且，那套纳米机器人该系统可以以极小的误差（<7%，本来的识别算法实在检测率小于50%）每小时主动识别 400 个单层石墨烯片，每小时能停止四个周期的指定二维晶体的组拆，而每个周期仅需几分钟的人工干涉。

目前，操纵该机器人系统可以造造出由石墨烯和六方氮化硼瓜代叠加而构成的 29 层 G/hBN (石墨/六方氮化硼) 超晶格构造，突破了 2015 年 F. Withers 团队创下的 13 层记录。

拆解“奇异质料建造师”三大核心部门那么，那款纳米机器人系统是若何实现那些惊人效果的？

谜底在于其关键的三大构成部门：主动光学显微镜、芯片转移机械臂以及压印安装。

图 | 纳米操做机器人系统

此中，主动光学显微镜负责对质料实现分类和识别。连系高效的计算机视觉算法，主动显微系统每小时能阐发 12000 张光学图像（每秒超越 3 张）以搜刮和识别出机械剥离的二维质料薄片，并按照二维质料薄片的厚度停止分类。别的，识别出的二维晶体的位置坐标和描摹特征城市存储在后台数据库，以便用户拜候。系统还允许用户供给个性化设想的质料层叠挨次和标的目的。

值得一提的是，做者提出改良的图像处置算法，按照色彩比照和信息熵阈值两条途径对光学图像停止搜刮和识别，从而极大地降低了识别错误率。

图 | 主动化搜刮二维晶体

识别之后，系统会起头组拆。在组拆过程中，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挨次挑选差别的二维晶体薄片，并通过芯片机械臂转移。

图 | 目的芯片转移

图 | 目的二维晶体片的瞄准、拾取与压印

再通过压印配备上的聚合物印章以特定标的目的将二维晶体薄片按挨次堆叠为复杂的 vdW 异量构造，同步不竭反复后两个步调，我们就可以获得多层 vdW 异量构造的造造。

图 | 主动组拆流程

翻开大规模纳米造造的前景本周的《天然·纳米手艺》的一篇关于那项研究的阐发文章，更是用一个简单的数学计算证了然那个纳米机器人系统的贸易化潜力：研究者需要花好几天的手工组拆时间才气获得 13 层 vdW 异量构造，而那款纳米机器人系统仅需 32 小时就能组拆出 29 层 vdW 异量构造，而那还只是一个小小的开胃菜。

图 | 那款纳米机器人系统仅需 32 小时就能组拆出 29 层 vdW 异量构造。

Castellanos-Gomez 称：“那款机器人系统所消耗的时间还有很大的提拔空间。目前，限造速度的次要原因之一在于每一次转移步调都需要停止中断以恳求人类监视员的答应。那一人工监视步调次要是为了校准机器人主动瞄准过程中产生的 10 微米误差。 若是共同市场上已有的高精度挪动平台（那种手艺是现成的），就能省去那小我工监视步调，我相信那将大大加快组拆历程。”

Castellanos-Gomez 认为，那个系统是实现从原子机械组拆分子的一种雏形。差别于造造业常用的“自顶向下”（top-down）的办法是由块材停止减材来消费小器件，好比硅工业中从宏不雅的晶片通过光刻等工艺获得极细小的晶体管。在日本研究者开发的系机器人统中，他们接纳的是“自下而上”（bottom-up）的办法，操纵原子层厚度的二维质料层层堆叠而构成纳米器件。

当然，也有一些自组拆的办法可以构成层叠的 vdW 异量构造而且不需要人工的参与。然而，那些自组拆办法只能造造出简单的具有 A-B-A-B-A-B 交叠层的异量构造。比拟之下，机器人手艺就能够很容易地消费出用户自定义的肆意的更复杂和更个性化的异量构造。

因而，那项工做的意义不只在于创造了一种能减轻科研人员人力承担的东西，还为造造复杂叠层异量构造和研究新的物理现象供给了可能性，而那是目前人工操做所不克不及实现的。而且，该系统还有利于纳米器件的大规模集成，该过程涉及到切确的、可反复的二维质料薄片的主动化识别和堆叠。

当然，任何新手艺的成熟城市伴随一些挑战。

该系统仍旧面对许多亟待处理的问题：若何去除人工监视校准步调，实现转移过程的完全主动化？目前的二维质料剥离以及最末产品转移至目的基底等步调仍是表露于空气中，若何使整个工艺过程都处于情况可控的气氛中？此外，固然做者已经供给了十分全面的系统操做描述而且开源了所利用的软件，还需要考虑进一步降低系统的操做复杂性以利于潜在用户的利用。

图 | 纳米操做机器人

然而，虽然还有良多挑战，该机器人系统是实现基于二维质料的肆意复杂性纳米器件的重要一步。

就目前而言，想要让那个纳米机器人系统不但成为尝试室廉价劳动力的替代，同时实现大规模纳米造造的飞跃，研究者就必需证明其与化学气相堆积（CVD）法大规模生长二维质料的兼容性。Castellanos-Gomez 说：“目前为行，已经证了然那项手艺可以很好地应用于机械剥离二维质料薄片的堆叠。固然目前仍仅限于尝试室利用，但我认为在不久的未来将其用于 CVD 质料也不会有很大的手艺难度。”

正如 Castellanos-Gomez 所说：“那个机器人系统看起来已经很接近贸易化了”。

目前关于二维 vdW 质料的研究正处于升温阶段，跟着纳米操做机器人主动化组拆手艺的推广，能够预见越来越多的 vdW 质料系统将进入我们的视野，更多的具有别致和优良性能的质料有望问世。