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安上新型纳米级驱动器,「千纸鹤」100 毫秒完成自折叠 | Science 子刊封面

雷锋网 2021-03-22 22:12:40

折纸鹤可能是很多人的童年回忆。

安上新型纳米级驱动器,「千纸鹤」100 毫秒完成自折叠 | Science 子刊封面

【动图截自 UP 主:折纸的白叔】

如今,科学家们也设计了一种“纸鹤”。

安上新型纳米级驱动器,「千纸鹤」100 毫秒完成自折叠 | Science 子刊封面

这种“纸鹤”的特别之处在于,不用一秒,它就能通过自折叠的方式呈现出一只纸鹤的形态,其大小在纳米级。

安上新型纳米级驱动器,「千纸鹤」100 毫秒完成自折叠 | Science 子刊封面

就在最新一期的机器人顶刊 Science Robotics(《科学-机器人》)上,这只神奇的“纸鹤”登上了封面!

2021 年 3 月 17 日,相关研究成果发表于 Science Robotics,题为 Micrometer-sized electrically programmable shape-memory actuators for low-power microrobotics(用于低功率微型机器人的微米大小可编程形状记忆驱动器)。

安上新型纳米级驱动器,「千纸鹤」100 毫秒完成自折叠 | Science 子刊封面

论文作者来自美国康奈尔大学(原子和固态物理实验室、机械与航空航天工程学院、应用与工程物理学院、卡弗里纳米尺度科学研究所)、宾夕法尼亚大学(电气和系统工程系)。

何为「纳米级形状记忆驱动器」?

论文合著者之一、康奈尔大学物理学教授 Paul McEuen 表示:

人类已经学会了如何建造大规模的复杂系统和机器,但我们还没有学会如何在小尺度上制造机器,而这将是人类学习建造细胞级大小机器的重要一步。

先来思考一个问题:设计一个功能齐全的纳米级机器人,需要加入哪些组件进去?

复杂的电子电路、光伏、传感器、天线等自然都必不可少,但同样重要的是,如果想让这款机器人动起来,它还得学会弯曲。

考虑到这一点,形状记忆驱动器(shape memory actuator)将是一大关键。

那么,何为形状记忆驱动器?

论文介绍,其原理在于形状记忆效应,即某些材料在暴露于外部刺激(例如温度、电场、磁场或光)时能保持临时形状并可恢复其原始形状的能力。

基于这一效应的形状记忆驱动器允许机器人、医疗植入物等设备在没有持续供电的情况下保持形状,这种特性在设备不受束缚且电力有限的情况下显得尤其有利。

实际上,要想把这种驱动器用于纳米级机器人,理想情况下须做到以下几点:

  • 材料能在足够长的时间里保持形状(或许是几个小时,或许是几个月);

  • 由电驱动;

  • 曲率半径可弯曲到微米尺度;

  • 快速运作;

  • 坚固耐用;

  • 通过与现代半导体制造相一致的技术打造。

正如论文合著者之一 Itai Cohen 所言:

我们想打造一种微观机器人,但这种机器人是有大脑的。所以这意味着我们需要由 CMOS(注:Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,即互补金属氧化物半导体)晶体管驱动的附属物。

如何打造「纳米级形状记忆驱动器」?

虽然此前曾有研究团队通过聚合物、合金和陶瓷等打造出了形状记忆驱动器,但很大程度上还是很难打造出微米级的电子形状记忆驱动器,特别是那些由标准电子(~1 伏特)驱动的驱动器。

基于此,科学家们利用铂金属薄膜表面氧化的电化学策略,打造了具有高循环性的电动控制形状记忆驱动器。

具体来讲,这种驱动器的大致结构是:一层 2 纳米的钛/二氧化钛薄膜上面覆盖着一层厚度为 7 纳米的铂,再上面是几块坚硬的二氧化硅玻璃。

安上新型纳米级驱动器,「千纸鹤」100 毫秒完成自折叠 | Science 子刊封面

值得注意的是,这些微小的薄膜只有大约 30 个原子厚,而我们在生活中常见的一张纸可能就有 10 万个原子厚。

当正电压被应用到驱动器时,氧原子被驱动到铂,和铂原子交换位置——这个过程就叫做氧化,它使得铂在惰性玻璃板之间的缝隙中膨胀,使结构弯曲成预定形状。即使电压移除,这种形状也将保持,因为嵌入的氧原子会聚集起来,形成一个屏障,防止铂原子扩散出去。

而当负电压被应用到驱动器时,科学家们就可以移除氧原子,并迅速将铂恢复到原始状态。通过改变玻璃面板的图案,无论铂位在顶部还是底部,都可以产生出一系列形变。

下图是电化学过程示意图。

安上新型纳米级驱动器,「千纸鹤」100 毫秒完成自折叠 | Science 子刊封面

具体到性能,驱动器可达到亚微米的曲率半径(如下图所示)。

安上新型纳米级驱动器,「千纸鹤」100 毫秒完成自折叠 | Science 子刊封面

此外,其特点还在于可快速响应(100 毫秒运行)、低电压、可重构。

不过这些特点有何重要意义呢?

康奈尔大学官方表示:

致动器的曲率半径小于一微米,它的曲率在任何电压驱动致动器中都是最高数量级。这种灵活性很关键,因为微型机器人制造的基本原则之一就是,其大小取决于各种附件可被折叠成的大小。越能弯曲,折痕就越小,机器人的占地面积就越小。不仅如此,这也保证功耗能降至最低,这一特点对微型机器人尤其有利。

世界上最小的自折叠纸鹤

这种纳米级形状记忆驱动器的效果如何呢?

论文显示,有了这种驱动器,原子厚度的二维材料能被折叠成三维结构——如上所示,这一过程中科学家们只需进行快速电压突变,即便电压被移除,受到弯曲的材料也能保持其形状。

我们可以这样想象:一百万个微型机器人从晶圆中被释放出来,它们可以自我折叠成型,自由移动完成任务,甚至还能组装视觉上更为复杂的结构。

基于上述研究,科学家们做了一个演示——打造了一只宽为 60 微米的千纸鹤。

安上新型纳米级驱动器,「千纸鹤」100 毫秒完成自折叠 | Science 子刊封面

据了解,该团队曾因一款行走机器人获得了吉尼斯世界纪录的认可,如今他们希望用这款或许是世界上最小的千纸鹤来尝试创造另一项记录。

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正如研究团队表示:

这是当前最先进设备的一次重大进步。

引用来源:

https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabe6663

https://news.cornell.edu/stories/2021/03/self-folding-nanotech-creates-worlds-smallest-origami-bird

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