搞芯片，最重要的環(huán)節(jié)是什么？

除了用更先進(jìn)的制造工藝帶來(lái)更大的晶體管密度，獲得更大的算力之外，對(duì)芯片內(nèi)部信號(hào)的傳輸和控制也是必不可少的一部分。

「纖毛芯片」，了解一下？

當(dāng)然，首先來(lái)看看纖毛是干什么的。

纖毛，可以說(shuō)是生物體中最勤奮的信使和傳話人，更直接點(diǎn)說(shuō)，就是液體的最靈活的「搬運(yùn)工」。

這些纖細(xì)的毛發(fā)通過(guò)有節(jié)奏的跳動(dòng)來(lái)搬運(yùn)生物體內(nèi)的液體，包括大腦中的腦脊液，清除肺部的痰和污物，保持其他人體器官和組織的清潔。

多年以來(lái)，人們一直希望能夠在計(jì)算和控制領(lǐng)域吸收，或者說(shuō)「借鑒」纖毛的神奇能力。

但是在微觀層面上。復(fù)制這個(gè)生物體中的「奇跡」的難度是非常大的。過(guò)去幾年，光、磁和電驅(qū)動(dòng)的研究已經(jīng)取得了不少進(jìn)展，但在工程上具備應(yīng)用價(jià)值的「纖毛驅(qū)動(dòng)」平臺(tái)仍然難以實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)在，這個(gè)困難被康奈爾大學(xué)的一群研究人員解決了。

他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)微型的人工纖毛系統(tǒng)，使用基于鉑金的部件，可以在微觀尺度下利用纖毛控制液體的運(yùn)動(dòng)。未來(lái)，有可能實(shí)現(xiàn)低成本、便攜式的診斷設(shè)備，用于測(cè)試血樣、操縱細(xì)胞活動(dòng)或協(xié)助微加工過(guò)程等。

目前，刊載這一研究的論文已經(jīng)發(fā)表在最新的Nature上，論文一作為華人博士生Wang Wei（上圖），二作為華人博士后Liu Qingkun，目前論文被引用數(shù)超過(guò)2300次，H指數(shù)為24。

Wang Wei表示，目前已經(jīng)有很多方法可以制造由光、磁或靜電力驅(qū)動(dòng)的人工纖毛，但我們是第一個(gè)使用新納米致動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)可單獨(dú)控制的人工纖毛的團(tuán)隊(duì)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04645-w.pdf

在Nature這篇論文中，研究人員構(gòu)建了電子驅(qū)動(dòng)人造纖毛的活性超表面，并在表面附近的液體中能夠產(chǎn)生任意流動(dòng)模式。

研究人員首先構(gòu)建了電壓驅(qū)動(dòng)的纖毛，在 1?伏的驅(qū)動(dòng)電壓下以每秒數(shù)十微米的速度做單向運(yùn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)表面流動(dòng)。纖毛單位細(xì)胞可以在局部產(chǎn)生一系列的元素流動(dòng)并構(gòu)成不同幾何形狀。

基于表面電化學(xué)執(zhí)行器的人工纖毛

通過(guò)組合這些單位單元，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)活躍的纖毛超表面，可以生成任何所需的流動(dòng)模式，并在這些模式之間靈活切換。

這些結(jié)果，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算得到了證實(shí)。

研究人員表示，這些結(jié)果為未來(lái)精細(xì)尺度微流體操縱開辟了一條新路，從微流體泵送到微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)都能進(jìn)行應(yīng)用。

人工纖毛的顯微鏡視圖

具體來(lái)說(shuō)，一個(gè)典型的「纖毛芯片」包含16個(gè)方形單元，每個(gè)單元有8個(gè)纖毛陣列，每個(gè)陣列有8個(gè)纖毛，每個(gè)纖毛約50微米長(zhǎng)，從而形成一個(gè)由大約1000根人造纖毛組成的「地毯」。

對(duì)每根纖毛加以震蕩電壓，其表面會(huì)發(fā)生周期性的氧化和還原，使纖毛來(lái)回彎曲，以每秒幾十微米的速度泵送流體。

不同纖毛陣列可以被獨(dú)立激活，因此可以產(chǎn)生無(wú)窮無(wú)盡的流動(dòng)模式和路線，和纖毛在生物體內(nèi)的靈活性幾乎不相上下。

這項(xiàng)研究由論文通訊作者、康奈爾大學(xué)物理學(xué)教授Itai Cohen領(lǐng)導(dǎo)，建立在一個(gè)鉑金基底的電動(dòng)執(zhí)行器上，作為纖毛設(shè)備的核心組件。

Cohen的團(tuán)隊(duì)之前打造了讓微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)行走的類似系統(tǒng)。實(shí)際上，讓微型機(jī)器人「彎腿」力學(xué)原理和這個(gè)研究很相似，但纖毛系統(tǒng)的具體功能和應(yīng)用是不同的，而且相當(dāng)靈活。

纖毛單元產(chǎn)生的多種流動(dòng)路線

Cohen表示，「一旦你能單獨(dú)處理這些纖毛，你就能以任何你想要的方式精確操縱和控制這些流體?？梢詣?chuàng)建多個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)環(huán)形流動(dòng)，或者分裂成兩條路徑，然后在兩路合一。甚至可以在三維空間內(nèi)設(shè)計(jì)路線。總之，一切皆有可能?！?/span>

「使用現(xiàn)有的平臺(tái)來(lái)創(chuàng)造小的、在水中工作的、可電處理的、可與有趣的電子裝置集成的纖毛，一直是非常困難的?，F(xiàn)在這個(gè)問(wèn)題解決了。有了這種平臺(tái)，我們就有望開發(fā)出下一代的微型流控設(shè)備?！顾f(shuō)。

另外，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一個(gè)配備CMOS時(shí)鐘電路的纖毛裝置，實(shí)際上就是一個(gè)「電子大腦」，使纖毛能夠不被傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)束縛下運(yùn)行，也為開發(fā)一系列可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的低成本診斷測(cè)試打開了大門。

Cohen表示，可以想象，在未來(lái)，人們拿著這個(gè)1厘米見方的小設(shè)備，只要滴一滴血在上面，就能進(jìn)行所有的檢測(cè)。不用再用什么泵，也不用任何其他設(shè)備，只要把它放在陽(yáng)光下，它就會(huì)工作，成本可能只有1到10美元左右。