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不开玩笑,这是世界上最小的“自制”折纸鸟

显微镜下的折纸鸟。

想制作一个功能齐全的纳米机器人,你需要将电子电路、传感器和天线等一系列复杂元件整合。同样重要的是,如果你想让机器人具备移动能力,就必须让它能够弯折。

techxplore.com网站当地时间3月17日报道,美国康奈尔大学的研究人员发明了微米级的形状记忆驱动器,使原子级二维材料能够折叠成三维结构。他们所需的只是快速的电压突变。并且一旦材料完成弯折,即使移除了电压,材料仍然能保持其形状。

在同日刊发的《科学机器人》杂志中,研究人员展示了借此制作的世界最小的自我折叠(self-folding)折纸鸟。

论文作者Paul McEuen教授说:“虽然人类已经掌握了制造宏观复杂机器的方法,但对于微观尺度的复杂系统制造,人类还了解甚少。新成果让我们向着建造细胞机器人迈出了重要一步。”

McEuen等人已经制造了一大批纳米级机器和组件,每一个新组件看起来都比旧版本组件更快、更智能。

论文作者Itai Cohen教授说:“我们希望机器人的尺寸尽可能小,但它也离不开智慧大脑。因此,我们需要引入互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管,制造出微米级计算机芯片。”试想,数以百万计的微型机器人自晶圆中诞生,它们自我折叠成型,自由爬行,甚至组装成更复杂的结构……这是何等奇妙的场景。

Cohen教授说:“制造能响应CMOS电路的材料是我们面临的最大难题。Qingkun Liu等人完成的形状记忆驱动器方面的工作,让我们能够通过电压驱动,使材料保持弯曲状态。”

驱动器的弯曲曲率半径小于一微米,达到了电驱驱动器的最高曲率数量级。这种灵活性非常重要,因为微型机器人的尺寸和功耗与弯曲、折叠程度密切相关。研究人员认为,Liu的化学背景为项目带来了额外收获。

Liu说:“在微观尺度上,我们完成了化学、材料学和机械工程学的融合。”

驱动器主要包含纳米级铂层和钛(二氧化钛)层。纳米薄层上方为坚硬的二氧化硅玻璃。当驱动器受到正电压作用时,氧原子与铂原子交换位置,使铂在惰性玻璃板之间的缝隙中膨胀,导致结构弯曲成预定形状。即便在移除电压后,机器也能维持形状,因为嵌入的氧原子会聚集形成屏障。而当驱动器被施以负电压时,氧原子被移除,铂层迅速恢复至原始状态。研究人员通过改变玻璃面板图案,可以制造出一系列由山谷式折法驱动的折纸结构。

机器只需要100毫秒就能完成自我折叠,并且可以自我展开、折叠数千次。此外,它们的驱动电压低至一伏特。Cohen团队希望用这种只有60微米宽的折纸鸟打破吉尼斯记录。

目前,Cohen团队正致力于完成形状记忆驱动器和电路的集成,以制造具有折叠腿的步行机器人以及依靠波动向前移动的片状机器人。Cohen教授说,这些创新有望推动纳米生物机器人的开发。

科界原创

编译:雷鑫宇

审稿:西莫

责编:陈之涵

期刊来源:《科学机器人》

期刊编号:2470-9476

原文链接:

https://techxplore.com/news/2021-03-nanotech-scientists-world-smallest-origami.html

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