Budowa nanomanipulatora

Nanotechnologowie wiele obiecują: elektronika wykuta z pojedynczych molekuł, supermocne, lekkie materiały, ultracienkie kapsułki, które przenoszą leki do określonych narządów lub komórek w ciele. Aby jednak majstrować przy materiałach na taką skalę, naukowcy potrzebują narzędzi do sondowania i szturchania ich niewidocznie małych okazów. A producenci będą potrzebować sprzętu do masowej produkcji tych przyszłych cudów. Takie instrumenty nie są tanie. Aktualna cena nanomanipulatora – maszyny nazwanej tak nie dlatego, że sama w sobie jest malutka, ale dlatego, że może poruszać przedmiotami z dokładnością do nanometra – wynosi dziesiątki tysięcy dolarów. Martin Culpepper, profesor inżynierii mechanicznej z MIT i wyróżniony nagrodą TR100, jest przekonany, że może wyprodukować lepsze instrumenty za mniej niż 3000 USD za sztukę, stosując inne podejście do projektowania maszyn. Wskazuje, że istniejące nanomanipulatory mają wiele różnych połączeń i połączeń, które można ze sobą połączyć. Ponieważ przerwy między elementami mogą mieć szerokość wielu nanometrów, ten stary paradygmat, jak go nazywa, jest niepraktyczny dla ruchu w nanoskali. Zamiast tego maszyna Culpeppera jest zbudowana wokół jednego elementu, który lekko się wygina i wygina. Pokazuje Danowi Cho z TR, jak zapewnić supermały ruch bez astronomicznej ceny.





1. Jak masło. Nanomanipulator rozpoczyna pracę w warsztacie mechanicznym, w którym dwaj absolwenci Culpeppera, Soohyung Kim i Nathan Landsiedel, wycinają kawałki metalu. Umieszczają tytanową płytkę na łożu wycinarki wodnej i przekazują instrukcje z dysku komputera do sąsiedniej konsoli. Dzięki ruchomej dyszy, która wystrzeliwuje milimetrowy strumień wody z drobinkami granatu, maszyna może wycinać skomplikowane kształty w ciągu kilku minut.

TR100 z 2004 roku

Ta historia była częścią naszego wydania z października 2004 r.

  • Zobacz resztę numeru
  • Subskrybuj

2. Elastyczny czas. Culpepper wyciąga jeden z nowo odciętych kawałków. To serce jego maszyny: trzy płaskie paski odchodzące symetrycznie od wspólnego środka i otoczone drucianą ramą, tworzące niewyraźny trójkąt. Ta dziwna geometria ma swój cel. Środek lub scena trójkąta to miejsce, w którym sonda byłaby zamocowana w kompletnym instrumencie. Trzymasz te trzy punkty, mówi Culpepper, wskazując trzy uchwyty w kształcie podkładki zawieszone na wygiętych ramionach między rogami trójkąta, a następnie popychasz każdy z tych zaczepów w bok lub w górę i w dół. Wskazuje końce płaskich pasków i pokazuje, jak pchnięcie dwóch wypustek do siebie odsuwa środek od nich obu. Naciśnij wszystkie trzy, a środek przesunie się w górę. Naciskając różne kombinacje zakładek, może spowodować, że scena będzie się przesuwać lub skręcać w dowolnym możliwym kierunku. To właśnie inżynierowie nazywają ruchem sześcioosiowym, czymś, z czym zmagają się istniejące nanomanipulatory.



3. Przywiązanie. Culpepper przykręca elastyczny element do aluminiowej podstawy swojej maszyny. Przekręcenie jednego z długich pokręteł wystających z boków przesuwa sąsiednią oprawę w kształcie podkładki o kilka mikrometrów. Za pomocą tych pokręteł Culpepper może dostosować kształt trójkąta, dostosowując go do różnych zadań. Możemy sprawić, że będzie miał większy lub mniejszy zakres ruchu lub lepszą rozdzielczość, wyjaśnia, dzięki czemu ludzie nie będą musieli wydawać kilku tysięcy dolarów tylko na wykonanie jednego zadania.

4-5. Pierwsze przeboje. Culpepper następnie mocuje podstawę do trzech siłowników, komponentów, które na polecenie popychają i ciągną elastyczne klapki. Każdy siłownik składa się z aluminiowych cylindrów owiniętych ręcznie nawijanym drutem miedzianym. Wewnątrz znajdują się długie kawałki w kształcie prętów zakończone na końcach silnymi magnesami. Kiedy prąd przepływa przez przewody, wytwarza pole magnetyczne w siłowniku, popychając magnesy i mechanizm w jedną lub drugą stronę lub w górę iw dół.

6. Uważaj na lukę. Na górze urządzenia Culpepper mocuje nieporęczny kawałek zasypany drutami. Ta trójrożna aluminiowa korona zawiera sześć cylindrycznych czujników pojemności, które precyzyjnie monitorują ruch sceny. Culpepper rozważa bardziej kompaktowy, laserowy system pomiarowy dla przyszłych wersji. Dodaje, że może poruszać się bez czujników, ale przy poziomach precyzji, do których dążymy, pomiar ma kluczowe znaczenie.



7. Cichy bieg . Po złożeniu i okablowaniu nanomanipulatora Culpepper podchodzi do komputera, aby go przetestować. Gołym okiem nie jest to wiele, ale kiedy wpisuje polecenia na klawiaturze, scena manipulatora wykonuje rutynę wykrzywienia w nanoskali. Culpepper pilnuje liczb, wypatrując nieoczekiwanych zakłóceń. Wibracje powietrza wywołane zwykłymi rozmowami głosowymi mogą zepsuć położenie sceny, chociaż staranny projekt konstrukcyjny zminimalizował ten efekt. Instrumenty laboratoryjne, które zawierają manipulator – który Culpepper zacznie projektować już tej jesieni – będą w pełni chronione przed tymi wstrząsami. Nanotechnologowie z przycinaniem kuponów mogą wkrótce mieć powód do świętowania.

ukryć