构建无线微型机器
微型设备可能在神经科学和其他领域有应用
博士候选人Farrukh Mateen （ENG ' 18）建造了一个微型谐振器，并在三英尺（实验室工作台的长度）外用一纳瓦的功率打开和关闭它。这项澳门威尼斯人注册网站研究发表在《自然：微系统与纳米工程》杂志上。Jackie Ricciardi摄
在我们周围，隐藏在我们视线之外的，是微型机器。我们车上的微型加速度计感应到碰撞，并告诉安全气囊充气。任天堂Wii控制器的微小陀螺仪将你的网球挥拍转化为屏幕上的运动。iPhone的加速度计、陀螺仪和近距离传感器可以感知它在空间中的位置。
所有这些被统称为微机电系统（MEMS）的小机器都有一个共同点：它们都连接或非常靠近电源。对于更广泛的应用，比如无线大脑植入，科学家和工程师需要远距离供电。但是，虽然通过空气发送信息很容易——想想无线电波——但发送功率，尤其是对一台微型机器来说，可能有点棘手。
但现在，由波士顿大学工程学院（ENG）博士候选人Farrukh Mateen （ENG ' 18）和波士顿大学艺术与科学学院（CAS）物理学教授Raj Mohanty领导的一组澳门威尼斯人注册网站研究人员正在接近解决方案。他们制造了一个微型机械装置，并在三英尺远的地方用一纳瓦的功率（十亿分之一瓦）开关它。该设备发表在2016年8月15日的《自然：微系统与纳米工程》杂志上，它是一个由金和氮化铝组成的微型三明治，在微波频率下振动或共振。这个微型谐振器只有100微米宽，比人类头发的宽度略宽。
该论文的第一作者Mateen说：“无线供电并不新鲜。尼古拉·特斯拉在1893年的世界博览会上展示了它；但我们相信这是它第一次与微机械谐振器一起使用。”
在第二轮实验中，该设备使用更高的无线电频率，效率达到了令人印象深刻的15%。这些结果发表在2016年8月16日的《应用物理快报》上。
这种设备最有前途的应用是在新兴的光遗传学领域：将光照射在基因修饰的脑细胞上，使它们以某种方式表现。该领域为神经科学澳门威尼斯人注册网站研究提供了巨大的潜力，也为帕金森病等神经系统疾病的治疗提供了可能。但是，将一个设备植入人体，尤其是大脑，是具有挑战性的。它需要体积小、效率高、低功耗和低辐射。能量必须通过骨骼和脑组织快速传输到设备。两篇论文的通讯作者莫汉蒂说：“你不想每天都换电池，你也不想让你的大脑烧焦。”
有两种不需要电线的输电方式。第一种是磁场，除非使用大线圈，否则磁场的范围很短，这限制了它们在微型设备上的应用。第二种是电场，范围更广，但几乎会被所有东西反射。两篇论文的第一作者马丁说：“但有很多方法可以解决这个问题。”“我们认为优化接收者可能是答案。”
该团队开始考虑谐振器——一种以特定频率自然振动的材料——就像一个以特定方式拍打空气的跳水板，或者一个对特定声音频率做出反应的摇晃的酒杯。
“谐振器是所有微型机器的基石，”莫汉蒂说。“如果我们能做到这一点，我们就能在它的基础上建造任何东西。”
这种特殊的谐振器由硅基上的氮化铝层组成。氮化铝是一种“压电”材料——当它感应到电场时，它会弯曲或共振。问题是要制造一个微小的天线，这样这种材料才能感知空气中的电流。
“我们必须改变我们的想法，”莫汉蒂说。“我们说，为什么不使用谐振器本身作为天线呢？这就是突破口所在。”该团队通过在顶部和底部添加薄层金，将谐振器变成了所谓的“贴片天线”。这个简单的解决办法奏效了。
“当它起作用时，我真的很惊讶，”Mateen说，他记得当他第一次检测到信号时，他打电话给他的同事，合著者Carsten Mädler （GRS ' 16）。“我说，‘老兄！你得看看这个！我想我们可以无线启动它！’”
虽然这项技术还处于起步阶段，但马丁看到了许多潜在的应用，从远程传感器到改进手机充电器，再到大脑植入物。“生物医学应用的想法真是太棒了，”他说。“如果它最终能以某种方式帮助人类，那就太好了。这是朝着那个目标迈出的一小步。”
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