Наноразмерные складные роботы

Полнофункциональному нанороботу требуются электронные схемы, фотогальваника, датчики и антенны. Но если роботу нужно двигаться, он должен уметь сгибаться. Исследователи создали приводы с памятью формы микронного размера, которые позволяют атомарно тонким двумерным материалам складываться в трехмерные конфигурации. Все, что им нужно, это быстрый скачок напряжения. А после того, как материал согнут, он сохраняет свою форму даже после отключения напряжения.

Представьте себе миллион сфабрикованных микроскопических роботов, высвобождающихся из пластины, которые складываются в форму, свободно ползают и выполняют свои задачи, даже собираясь в более сложные структуры. Привод с памятью формы робота может управляться напряжением и удерживать согнутую форму.

Приводы могут изгибаться с радиусом кривизны меньше микрона — это самые высокие изгибы любого привода, управляемого напряжением, на порядок. Эта гибкость важна, потому что один из основных принципов производства микроскопических роботов заключается в том, что размер робота определяется тем, насколько малы различные придатки, которые можно сложить. Чем круче изгибы, тем меньше сгибы и меньше площадь основания для каждой машины. Также важно, чтобы робот мог удерживать эти изгибы, что сводит к минимуму энергопотребление — функция, особенно полезная для микроскопических роботов и машин.

Устройства состоят из нанометрового слоя платины, покрытого пленкой из титана или диоксида титана. Поверх этих слоев располагаются несколько жестких панелей из стекла из диоксида кремния. Когда на приводы подается положительное напряжение, атомы кислорода вдавливаются в платину и меняются местами с атомами платины. Этот процесс, называемый окислением, заставляет платину расширяться с одной стороны в швах между панелями из инертного стекла, что изгибает структуру в заданную форму. Машины могут сохранять эту форму даже после отключения напряжения, потому что внедренные атомы кислорода собираются вместе, образуя барьер, который препятствует их диффузии наружу.

Подавая на устройство отрицательное напряжение, исследователи могут удалить атомы кислорода и быстро восстановить платину до ее первоначального состояния. А меняя рисунок стеклянных панелей — а также то, открыта ли платина сверху или снизу — они могут создавать ряд структур оригами, приводимых в действие складками гор и долин.

Крошечные слои имеют толщину около 30 атомов по сравнению с листом бумаги, толщина которого может составлять 100 000 атомов. Машины складываются в течение 100 миллисекунд. Они также могут сплющиваться и складываться тысячи раз. И им достаточно всего одного вольта для питания.

В настоящее время команда работает над интеграцией приводов памяти формы со схемами для создания шагающих роботов со складными ногами, а также листовидных роботов, которые движутся волнообразно вперед. Эти инновации могут когда-нибудь привести к созданию нанороботов, способных удалять бактериальные инфекции из тканей человека, микрофабрик, способных трансформировать производство, и роботизированных хирургических инструментов, которые в десять раз меньше современных устройств.