搞芯片，最重要的環(huán)節(jié)是什么？

除了用更先進的制造工藝帶來更大的晶體管密度，獲得更大的算力之外，對芯片內(nèi)部信號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，首先來看看纖毛是干什么的。

纖毛，可以說是生物體中最勤奮的信使和傳話人，更直接點說，就是液體的最靈活的「搬運工」。

這些纖細(xì)的毛發(fā)通過有節(jié)奏的跳動來搬運生物體內(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，人們一直希望能夠在計算和控制領(lǐng)域吸收，或者說「借鑒」纖毛的神奇能力。

但是在微觀層面上。復(fù)制這個生物體中的「奇跡」的難度是非常大的。過去幾年，光、磁和電驅(qū)動的研究已經(jīng)取得了不少進展，但在工程上具備應(yīng)用價值的「纖毛驅(qū)動」平臺仍然難以實現(xiàn)。

現(xiàn)在，這個困難被康奈爾大學(xué)的一群研究人員解決了。

他們設(shè)計了一個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動。未來，有可能實現(xiàn)低成本、便攜式的診斷設(shè)備，用于測試血樣、操縱細(xì)胞活動或協(xié)助微加工過程等。

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)動的人工纖毛，但我們是第一個使用新納米致動器來實現(xiàn)可單獨控制的人工纖毛的團隊。

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)生任意流動模式。

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

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

這些結(jié)果，最終通過實驗和理論計算得到了證實。

研究人員表示，這些結(jié)果為未來精細(xì)尺度微流體操縱開辟了一條新路，從微流體泵送到微機器人運動都能進行應(yīng)用。

人工纖毛的顯微鏡視圖

具體來說，一個典型的「纖毛芯片」包含16個方形單元，每個單元有8個纖毛陣列，每個陣列有8個纖毛，每個纖毛約50微米長，從而形成一個由大約1000根人造纖毛組成的「地毯」。

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

不同纖毛陣列可以被獨立激活，因此可以產(chǎn)生無窮無盡的流動模式和路線，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)，建立在一個鉑金基底的電動執(zhí)行器上，作為纖毛設(shè)備的核心組件。

Cohen的團隊之前打造了讓微型機器人實現(xiàn)行走的類似系統(tǒng)。實際上，讓微型機器人「彎腿」力學(xué)原理和這個研究很相似，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)生的多種流動路線

Cohen表示，「一旦你能單獨處理這些纖毛，你就能以任何你想要的方式精確操縱和控制這些流體。可以創(chuàng)建多個獨立的運動軌跡，實現(xiàn)環(huán)形流動，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)計路線?？傊?，一切皆有可能?！?/span>

「使用現(xiàn)有的平臺來創(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)在這個問題解決了。有了這種平臺，我們就有望開發(fā)出下一代的微型流控設(shè)備?！顾f。

另外，研究團隊還開發(fā)了一個配備CMOS時鐘電路的纖毛裝置，實際上就是一個「電子大腦」，使纖毛能夠不被傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)束縛下運行，也為開發(fā)一系列可在現(xiàn)場進行的低成本診斷測試打開了大門。

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