安上新型納米級驅動器,「千紙鶴」100 毫秒完成自摺疊 | Science 子刊封面

摺紙鶴可能是很多人的童年回憶。

【動圖截自 UP 主:摺紙的白叔】

如今,科學家們也設計了一種「紙鶴」。

這種「紙鶴」的特別之處在於,不用一秒,它就能通過自摺疊的方式呈現出一隻紙鶴的形態,其大小在納米級。

就在最新一期的機械人頂刊 Science Robotics(《科學-機械人》)上,這隻神奇的「紙鶴」登上了封面!

2021 年 3 月 17 日,相關研究成果發表於 Science Robotics,題為 Micrometer-sized electrically programmable shape-memory actuators for low-power microrobotics(用於低功率微型機械人的微米大小可編程形狀記憶驅動器)。

論文作者來自美國康奈爾大學(原子和固態物理實驗室、機械與航空航天工程學院、應用與工程物理學院、卡弗里納米尺度科學研究所)、賓夕法尼亞大學(電氣和系統工程系)。

何為「納米級形狀記憶驅動器」?

論文合著者之一、康奈爾大學物理學教授 Paul McEuen 表示:

人類已經學會了如何建造大規模的複雜系統和機器,但我們還沒有學會如何在小尺度上製造機器,而這將是人類學習建造細胞級大小機器的重要一步。

先來思考一個問題:設計一個功能齊全的納米級機械人,需要加入哪些組件進去?

複雜的電子電路、光伏、傳感器、天線等自然都必不可少,但同樣重要的是,如果想讓這款機械人動起來,它還得學會彎曲。

考慮到這一點,形狀記憶驅動器(shape memory actuator)將是一大關鍵。

那麼,何為形狀記憶驅動器?

論文介紹,其原理在於形狀記憶效應,即某些材料在暴露於外部刺激(例如溫度、電場、磁場或光)時能保持臨時形狀並可恢復其原始形狀的能力。

基於這一效應的形狀記憶驅動器允許機械人、醫療植入物等設備在沒有持續供電的情況下保持形狀,這種特性在設備不受束縛且電力有限的情況下顯得尤其有利。

實際上,要想把這種驅動器用於納米級機械人,理想情況下須做到以下幾點:

  • 材料能在足夠長的時間裡保持形狀(或許是幾個小時,或許是幾個月);

  • 由電驅動;

  • 曲率半徑可彎曲到微米尺度;

  • 快速運作;

  • 堅固耐用;

  • 通過與現代半導體製造相一致的技術打造。

正如論文合著者之一 Itai Cohen 所言:

我們想打造一種微觀機械人,但這種機械人是有大腦的。所以這意味着我們需要由 CMOS(註:Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,即互補金屬氧化物半導體)晶體管驅動的附屬物。

如何打造「納米級形狀記憶驅動器」?

雖然此前曾有研究團隊通過聚合物、合金和陶瓷等打造出了形狀記憶驅動器,但很大程度上還是很難打造出微米級的電子形狀記憶驅動器,特別是那些由標準電子(~1 伏特)驅動的驅動器。

基於此,科學家們利用鉑金屬薄膜表面氧化的電化學策略,打造了具有高循環性的電動控制形狀記憶驅動器。

具體來講,這種驅動器的大致結構是:一層 2 納米的鈦/二氧化鈦薄膜上面覆蓋著一層厚度為 7 納米的鉑,再上面是幾塊堅硬的二氧化硅玻璃。

值得注意的是,這些微小的薄膜只有大約 30 個原子厚,而我們在生活中常見的一張紙可能就有 10 萬個原子厚。

當正電壓被應用到驅動器時,氧原子被驅動到鉑,和鉑原子交換位置——這個過程就叫做氧化,它使得鉑在惰性玻璃板之間的縫隙中膨脹,使結構彎曲成預定形狀。即使電壓移除,這種形狀也將保持,因為嵌入的氧原子會聚集起來,形成一個屏障,防止鉑原子擴散出去。

而當負電壓被應用到驅動器時,科學家們就可以移除氧原子,並迅速將鉑恢復到原始狀態。通過改變玻璃面板的圖案,無論鉑位在頂部還是底部,都可以產生出一系列形變。

下圖是電化學過程示意圖。

具體到性能,驅動器可達到亞微米的曲率半徑(如下圖所示)。

此外,其特點還在於可快速響應(100 毫秒運行)、低電壓、可重構。

不過這些特點有何重要意義呢?

康奈爾大學官方表示:

致動器的曲率半徑小於一微米,它的曲率在任何電壓驅動致動器中都是最高數量級。這種靈活性很關鍵,因為微型機械人製造的基本原則之一就是,其大小取決於各種附件可被摺疊成的大小。越能彎曲,摺痕就越小,機械人的佔地面積就越小。不僅如此,這也保證功耗能降至最低,這一特點對微型機械人尤其有利。

世界上最小的自摺疊紙鶴

這種納米級形狀記憶驅動器的效果如何呢?

論文顯示,有了這種驅動器,原子厚度的二維材料能被摺疊成三維結構——如上所示,這一過程中科學家們只需進行快速電壓突變,即便電壓被移除,受到彎曲的材料也能保持其形狀。

我們可以這樣想象:一百萬個微型機械人從晶圓中被釋放出來,它們可以自我摺疊成型,自由移動完成任務,甚至還能組裝視覺上更為複雜的結構。

基於上述研究,科學家們做了一個演示——打造了一隻寬為 60 微米的千紙鶴。

據了解,該團隊曾因一款行走機械人獲得了吉尼斯世界紀錄的認可,如今他們希望用這款或許是世界上最小的千紙鶴來嘗試創造另一項記錄。

正如研究團隊表示:

這是當前最先進設備的一次重大進步。

引用來源:

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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