科研发展动态 | 2021年第7期

发布时间:2021/08/23 11:01:46 文章来源:本站

2021年第7



| 要目 |



— 生命科学 —

1.用机器“大脑”操纵活线虫成为微型机器人
2.口罩也能测新冠,还可媲美标准检测结果



—  信息科学  —

1.三星宣布3nm芯片成功流片
2.运行256个量子比特,新型可编程量子模拟器面世


—  材料科学  —

1.新型锂金属电池使用寿命提高到创纪录水平
2.北航在磁性芯片高精度检测领域取得新突破





| 生命科学 |




用机器“大脑”操纵活线虫成为微型机器人



微型机器人领域在MEMS技术以及光刻蚀技术的迭代之下,近十年来有长足的发展,并逐步在靶向给药、测量细胞器模量、辅助精子移动人工受孕等场景尝试应用。然而,与自然模型相比,生物启发的微型机器人的结构通常被大幅简化,以促进微型机器人的制造和驱动。因此,这种微型机器人的性能无法与生物体相提并论。人类若想真正制造尺寸在数百微米乃至数微米的受控微型机器人,目前条件下,仍然存在诸多技术瓶颈。比如在工艺方面,主要瓶颈在于如何制造装和配微型机器人,如何给这么小的机器人供能。在原理瓶颈方面,微米环境里粘滞力和摩擦力比重力大几个数量级,用什么结构驱动微型机器人运动,以完成既定任务。在控制方面,如何测量微型机器人的运动,构成闭环,如何对这么小的机器人实现精密控制等等,都是当前研究面临的挑战。


智东西7月1日报道,国际机器人学术顶刊Science Robotics上最新发表的一篇新论文,描述了一种用机器视觉、运动控制和导航等算法取代线虫大脑、精密操控活体线虫运动的新方法,创造出一个不受束缚的、高度可控的微型软体机器人,并将其命名为RoboWorm。该论文题目为《通过光遗传运动控制秀丽隐杆线虫,实现活的微型软体机器人》(Toward a living soft microrobot through optogenetic locomotion control of Caenorhabditis elegans),由加拿大多伦多大学机械与工业化学院与Lunenfeld-Tanenbaum研究所合作完成。论文第一作者董先科博士告诉智东西,从机器人学的角度,这一研究相当于做了一个微米尺度的蛇形机器人,只不过用了生物本身的肌肉细胞作为执行器,这使得微型机器人变得更加灵巧,也更像真正意义上的机器人。


微评:尽现阶段学术界开发的微型机器人构造相对简单,多为简单的、能直接用光刻蚀技术加工的微结构体,如微纳米磁块、微米螺旋体、微米管等。操控性和功能大都比较有限。而如果结构过于复杂,在微米尺度下,它们即使能够加工出来也很难装配。但得益于数百万年的进化,生物们发展了复杂的身体结构、高效的能量流动和先进的运动控制系统,这些系统超过了任何人造机器。这些生物的特性,为各种微型机器人的设计提供了巨大的灵感,学习自然生物的运动是设计微型机器人最有效的策略之一。




口罩也能测新冠,还可媲美标准检测结果



据瑞士媒体 Robohub 7月1日报道,近日,美国哈佛大学Wyss研究所和麻省理工学院的一组研究人员发现一种将合成生物学中的生物反应嵌入织物的方法,他们称之为可穿戴冷冻干燥无细胞合成生物学(wFDCF)技术,然后制造出了可定制的可穿戴生物传感器,该传感器可以检测病原体和毒素并提醒佩戴者。wFDCF技术主要是利用无细胞合成生物学技术。无细胞合成生物学技术的核心是利用细胞资源,在体外开发环境实现基因转录、蛋白质翻译等过程。该团队已将wFDCF技术以及其他生物技术集成到标准口罩中,以检测患者呼吸的气体中是否存在SARS-CoV-2病毒。佩戴者按下按钮激活口罩后,口罩中的传感器可在90分钟内给出结果,结果准确度可与聚合酶链反应(PCR)等基于核酸的标准检测手段相媲美。该研究论文题目为《用于生物分子检测的带有嵌入式合成生物传感器可穿戴材料(Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection)》,于6月28日发表在《自然·生物技术(Nature Biotechnology)》上。


微评:这样的口罩如果能上市销售,一定很抢手。如果生物传感检测部分做成低成本可拆卸更换,市场反应会更加热烈。





| 信息科学 |



三星宣布3nm芯片成功流片



6月29日,据外媒报道,三星宣布3nm制程技术已经正式流片。据报导,三星的3nm制程采用的是 GAA 架构,性能上完胜台积电的 3nm FinFET架构。据报导,三星在3nm制程的流片进度是与新思科技合作完成的,目的在于加速为GAA 架构的生产流程提供高度优化的参考方法。而因为三星的3 nm制程采用不同于台积电或英特尔所采用的 FinFET 的架构,而是采用 GAA 的结构。在此情况下,三星需要新的设计和认证工具,因此采用了新思科技的 Fusion Design Platform。据了解,3 纳米 GAA 制程技术有两种架构分类,也就是 3GAAE 和 3GAAP。这是两款以纳米芯片的结构设计,在鳍中具有多个横向带状线。这种纳米芯片设计已被研究机构 IMEC 作为 FinFET 架构后续的产品进行了大量研究,并由 IBM 与三星和格罗方德合作进行了技术发展。三星指出,这种技术具被高度可制造性。原因是它利用了该公司现有的约 90% 的 FinFET 制造技术予设备,而只需要少量修改过的光罩即可。另外,该制程技术具有出色的栅极可控性,这比三星原本采用的 FinFET 技术高 31%,且因为纳米芯片信道宽度可通过直接图像化来改变,这就给设计提供了灵活性。


微评:GAA (Gate-all-around ) 架构,是一个周边环绕着 Gate 的 FinFET 架构。GAA 架构的晶体管能够提供比 FinFET 更好的静电特性,可满足某些栅极宽度的需求。而这主要表现在同等尺寸结构下,GAA 的沟道控制能力得以强化,藉此给予尺寸进一步微缩提供了可能性。三星 3nm 芯片的成功流片,标志着高端制程芯片制造技术的争霸赛中,将再次出现巨大的不确定性,台积电一家独霸的局面很有可能被打破。





运行256个量子比特,新型可编程量子模拟器面世



美国哈佛大学—麻省理工学院超冷原子中心领导的国际物理学家团队在最新一期《自然》杂志刊文称,他们开发出了一种特殊类型的量子计算机——可编程量子模拟器,其能运行256个量子比特。该系统的面世标志着科学家朝构建大规模量子机器迈出重要一步,可用于阐明一系列复杂的量子过程,并最终帮助科学家在材料科学、通信技术等多领域实现重大突破。该研究的主要作者塞弗·阿巴迪表示,新系统空前的规模和可编程性使其脱颖而出。在适当情况下,增加量子比特的数量意味着系统可存储和处理更多信息。量子比特是量子计算机运行的基本模块。研究资深作者之一、哈佛量子计划联席主任米哈伊尔·卢金则表示,最新研究将量子计算机带入一个迄今无人涉足的新领域。


研究团队已经借助这个模拟器观察到了一些以前从未在实验室看到的奇异量子态,并进行了精确的量子相变研究,为磁性在量子水平上如何起作用提供了教科书范例。这些实验能帮助科学家更好地理解材料特性,从而设计出拥有奇异特性的新材料。他们目前正致力于通过改进激光对量子比特的控制并使系统更具可编程性来优化新系统,同时也在积极探索该系统新的应用,希望藉此解决更多实际问题。


微评:量子模拟器(Quantum simulators)作为重要的量子技术之一,允许研究在实验室中难以研究且无法用超级计算机建模的量子系统,旨在提供有关特定物理问题的洞察力。由于量子模拟器直接利用了真实粒子的量子特性,因此,其也可以解决经典计算机难以模拟的问题。




| 材料科学 |



新型锂金属电池使用寿命提高到创纪录水平



最近《自然-能源》杂志上刊登报告称下一代电池特别有前景的一种架构是使用纯锂金属,这种材料具有出色的能量密度,可使电动汽车在每次充电后续航更长。报告中显示,这种类型电池背后的设想是将阳极组件中使用的石墨换成纯锂金属,它可以容纳多达10倍的能量。


锂金属被认为是突破能源储存瓶颈的关键,科学家们一直在努力解决其寿命问题,到目前为止开发的新型锂金属电池在使用过程中很快就会失效,这种失败的原因之一是发生在阳极周围的复杂反应影响到阳极上一层薄膜,既固体电解质界面相(SEI)。这层薄膜控制着从电解质溶液中进入阳极的分子,电子通过这层薄膜来回穿梭于电池的另一个电极,即阴极,这种把关作用要求SEI有必要在电池循环时保持稳定,而这正是美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)的科学家在一项新研究需要解决的机制。通常认为,增加阳极中的锂的数量是解决这一问题的方法之一,但该团队通过另一种方法达到了目的,科学家们使用非常薄的锂条作为他们的阳极基础,每条的宽度只有20微米,远比人的头发薄。这种阳极被加工成能量密度为350Wh/kg的袋式电池。在测试中,该团队发现,在创纪录的600次循环后,该电池保持了76%的容量,团队将该设计的成功归功于较薄的锂条带促进了更好反应,因此与限制电化学反应的较厚条带相比,电解质和阳极之间有更好的相互作用。


微评:正极材料是决定锂离子电池性能关键材料之一,是锂电池中占比最大的材料,也是技术含量最高的部件,其性能和价格对锂离子电池影响较大。目前研制成功并得到应用的正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)等。用纯锂金属作为电池阳极一直被视为锂电池开发长期追求目标,并作为全固态电池概念设计的一部分。





北航在磁性芯片高精度检测领域取得新突破



集微网消息,北京航空航天大学集成电路学院科研人员在5个原子层厚的纳米磁性薄膜上写下“100年”、“中国芯”几个字。该技术的难点在于薄膜的平整度,需将纳米磁性薄膜均匀铺在晶圆(制作硅半导体集成电路所用的衬底)上。同时生产过程中的磁性薄膜检测这一关键技术,属于我国长期被“卡脖子”的技术。北航科研团队研发的晶圆级磁光克尔测试仪,通过微小的磁性针尖在薄膜上写字,若字的颜色对比度一致、字迹清晰,则表明薄膜有良好的均匀性。完成平整度检测后,将纳米薄膜制成器件,封装后形成各种类型的芯片。对比国外同类设备,这台检测仪器在测试精度和速度等方面进行了技术革新,实现了自主创新突破。目前该仪器现已应用于科研领域,且预计于今年10月在产业领域投入商用。


微评:磁性薄膜可用来制造高可靠的信息存储模块和高灵敏的磁信号传感模块,应用于飞机、卫星的控制系统,以及手机电子罗盘、汽车自动驾驶等领域。这台晶圆级磁光克尔测试仪,将为具有百亿元市场规模的磁性芯片产业提供设备支撑。