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纳米技术科学家创造了世界上最小的折纸鸟2简阳

2022-09-09 16:03:24 简阳    

纳米技术科学家创造了世界上最小的折纸鸟

如果要构建功能齐全的纳米级机器人,则需要整合多种功能,从复杂的电子电路和光电到传感器和天线。

但同样重要的是,如果您希望机器人运动,则需要它能够弯曲。

康奈尔大学的研究人员创建了微米级的形状记忆执行器,该执行器使原子薄的二维材料能够将自己折叠成3D构造中国机械网okmao.com。他们所需要的只是快速震荡电压。一旦材料弯曲,它就保持其形状-即使在去除电压后也是如此。

作为演示,该团队创造了可能是世界上最小的自折叠折纸鸟。这不是百灵鸟。

该小组的论文“用于低功率微机器人的千分尺尺寸的电可编程形状记忆执行器”于3月17日在《科学机器人》上发表,并被刊登在封面上。该论文的主要作者是博士后研究员刘庆坤。

该项目由文理学院的物理学教授Itai Cohen和约翰·纽曼物理科学教授Paul McEuen领导。

康奈尔大学的研究人员创建了微米级的形状记忆执行器,该执行器使原子薄的二维材料能够将自己折叠成3D构造。

麦克尤恩说:“我们人类,我们的主要特征是,我们已经学会了如何在人类规模以及巨大规模上构建复杂的系统和机器。”

“但是我们还没有学会怎么做,就是在很小的规模上建造机器。这是人类可以做什么的基础性,根本性发展的一步,即学习如何构造像细胞一样小的机器。”

到目前为止,McEuen和Cohen的持续合作已经产生了许多纳米级的机器和组件,它们看起来比上一代更快,更智能,更优雅。

“我们希望有一个微观的机器人,但大脑要装满大脑。因此,这意味着您需要具有由互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管驱动的附件,该晶体管基本上是机器人上的计算机芯片,而机器人上的芯片只有100微米。方面,”科恩说。

想象一下,一百万个制造的微型机器人从晶圆上松开后会折叠成形状,自由爬行并完成其任务,甚至组装成更复杂的结构。这就是愿景。

科恩说:“最困难的部分是制造能够响应CMOS电路的材料。” “这就是Qingkun和他的同事对这种形状记忆执行器所做的工作,您可以用电压驱动它并使它保持弯曲的形状。”

由军方资助的研究人员创建了纳米机器人,这些机器人可以将自己折叠成3D构造,并可以实现运动,新颖的超材料设计和高保真传感器。

这些致动器可以弯曲的曲率半径小于微米,即任何电压驱动致动器的最高曲率一个数量级。

这种灵活性之所以重要,是因为微观机器人制造的基本原理之一是,机器人的尺寸取决于各种附件的折叠程度。

弯头越紧,折痕越小,每台机器的占地面积就越小。同样重要的是,这些弯头可以由机器人固定,以最大程度地降低功耗,这一功能对于微型机器人和机器特别有利。

Cohen和McEuen将Liu的化学背景归功于该项目,以突显该化学反应背后的科学,这种反应使材料能够折叠并保持其形状。

刘说:“在如此小的规模上,它不像传统的机械工程,而是化学,材料科学和机械工程混合在一起。”

该设备由覆盖有钛或二氧化钛薄膜的铂的纳米薄层组成。几层二氧化硅玻璃的刚性面板位于这些层的顶部。

当向执行器施加正电压时,氧原子被驱入铂中并与铂原子交换位置。此过程称为氧化,使铂在惰性玻璃面板之间的接缝中一侧膨胀,从而使结构弯曲成预定形状。

机器甚至可以在去除电压后也能保持这种形状,因为嵌入的氧原子会聚在一起形成势垒,从而阻止它们扩散出去。

通过向设备施加负电压,研究人员可以去除氧原子,并迅速将铂还原为原始状态。通过改变玻璃面板的图案,以及铂是暴露在顶部还是底部,它们都可以创建一系列折纸结构,这些折纸结构是由山脉和山谷的褶皱驱动的。

“非常值得注意的一件事是,与一张纸相比,这些微小的层只有约30个原子厚,而纸的厚度可能为100,000个原子。

因此,弄清楚如何制作具有这种结构的东西是一项巨大的工程挑战。纳米级科学和微系统工程(NEXT Nano)工作组的共同主席McEuen说,他是教务长的自由基协作计划的一部分,并领导了康奈尔大学纳米级科学的Kavli研究所。

机器可以在100毫秒内快速折叠。它们还可以展平并重新折叠数千次。他们只需要一个电压就可以为生活供电。

科恩说:“这些是与当前最先进设备相比的重大进步。” “我们确实属于我们自己的一类。”

该团队因制造最小的步行机器人而被吉尼斯世界纪录所认可。现在,他们希望用一只只有60微米宽的新型自折叠折纸鸟来捕捉新的记录。

该团队目前正在努力将其形状记忆执行器与电路集成在一起,以制造具有可折叠腿的步行机器人以及通过波状起伏运动的片状机器人。

这些创新可能有一天会导致纳米Roomba型机器人能够清除人体组织中的细菌感染,可以改变制造业的微型工厂以及比当前设备小十倍的机器人手术器械。

但是驱动团队的一个同样重要的问题是:在如此规模的设计,制造和操作机器时,需要改变哪些原则?

该团队与合作者Samuel B. Eckert的工程学教授David Muller一起对纳米结构进行成像,并与物理学教授Tomas Arias和Stephen H. Weiss总统研究员共同研究,以更好地理解驱动过程的过程。

合著者包括博士生王伟,迈克尔·雷诺兹和迈克尔·曹'14;前博士后研究员马克·米斯金(Marc Miskin),现在是宾夕法尼亚大学的助理教授。

“科恩博士和他的团队正在突破我们可以在微米甚至纳米尺度上控制运动的速度和精确度的界限,”美国陆军作战司令部陆军研究办公室项目经理迪恩·卡尔弗说。

能力发展司令部的陆军研究实验室为研究提供了支持。“除了为纳米机器人铺平道路之外,这项工作的科学进步还可以实现智能材料设计以及与分子生物学世界的互动,从而可以前所未有地为陆军提供帮助。”

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