一个功能齐全的纳米机器人需要电子电路、光伏、传感器和天线。但如果机器人需要移动,它必须能够弯曲。研究人员已经创造了微米大小的形状记忆驱动器,使原子薄的二维材料可以折叠成三维结构。它们所需要的只是一个快速的电压震动。一旦材料弯曲,即使在电压被消除后,它仍然保持其形状。

纳米尺寸的机器人可以将自己折叠成3D构型,可以实现运动、新颖的超材料设计和高保真传感器。(康奈尔大学)

想象一下,一百万个人工制造的微型机器人从一个晶圆上释放出来,它们可以折叠成特定的形状,自由爬行,完成自己的任务,甚至组装成更复杂的结构。机器人的形状记忆驱动器可以通过电压驱动并保持弯曲的形状。

该驱动器可以弯曲曲率半径小于一微米-最高曲率的任何电压驱动驱动器的数量级。这种灵活性是很重要的,因为微型机器人制造的一个基本原理是,机器人的尺寸是由各种附件的折叠程度决定的。弯得越紧,折痕就越小,每台机器的占地面积就越小。同样重要的是,这些弯管可以由机器人控制,这将最大限度地降低功耗——这一特性对微型机器人和机器来说尤其有利。

该器件由一层纳米薄的铂层和一层钛或二氧化钛薄膜组成。几块坚硬的二氧化硅玻璃板位于这些层的顶部。当对驱动器施加正电压时,氧原子被驱动到铂中,并与铂原子互换位置。这个过程被称为氧化,导致铂在惰性玻璃板之间的缝隙一侧膨胀,使结构弯曲成预定的形状。即使在电压被移除后,这些机器仍能保持这种形状,因为嵌入的氧原子会聚集在一起,形成阻挡它们扩散的屏障。

通过对该装置施加负电压,研究人员可以移除氧原子,并迅速将铂恢复到原始状态。通过改变玻璃面板的图案,以及铂金是暴露在顶部还是底部,他们可以创造出一系列由山谷折痕驱动的折纸结构。

这些微小的层大约有30个原子那么厚,而一张纸可能有10万个原子那么厚。这种机器在100毫秒内自动折叠。它们也可以被压平和折叠数千次。它们只需要一伏特就能启动。

该团队目前正致力于将形状记忆驱动器与电路集成,以制造具有可折叠腿的步行机器人,以及通过波动向前移动的片状机器人。这些创新也许有一天会带来能够清除人体组织细菌感染的纳米机器人,能够改变制造业的微型工厂,以及比目前设备小十倍的机器人手术器械。

欲了解更多信息,请联系Jeff Tyson此电子邮件地址正受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript才能查看它。;607-793-5769。


运动设计杂志

本文首次发表于2021年6月号运动设计杂志。

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