Революционные наноразмерные складные роботы: использование актуаторов с формопамятью

Полностью функциональный наноразмерный робот требует электронные схемы, фотовольтаику, датчики и антенны. Но если роботу нужно двигаться, он должен уметь изгибаться. Исследователи создали микронные актуаторы с формопамятью, позволяющие атомно тонким двумерным материалам складываться сами в 3D-конфигурации. Все, что им требуется — быстрый импульс напряжения. И как только материал изогнут, он удерживает свою форму даже после удаления напряжения.

Представьте миллион изготовленных микроскопических роботов, выпускающихся с вафли, складывающихся сами в форму, ползающих свободно и занимающихся своими задачами, даже собираясь в более сложные структуры. Актуатор с формопамятью роботов может приводить в движение с напряжением и удерживать изогнутую форму.

Актуаторы могут изгибаться с радиусом кривизны меньше микрона — самые высокие кривизны любого напряжением-приводного актуатора на порядок величины. Эта гибкость важна, потому что один из базовых принципов микроскопического роботостроения — размер робота определяется тем, насколько маленькими могут быть сделаны различные придатки для складывания. Чем туже изгибы, тем меньше складки, и тем меньше отпечаток для каждой машины. Также важно, что эти изгибы могут удерживаться роботом, что минимизирует потребление энергии — особенность, особенно преимущественная для микроскопических роботов и машин.

Устройства состоят из нанометрового слоя платины, покрытого титановой или диоксида титана пленкой. Несколько жестких панелей из кремниевого стекла сидят поверх этих слоев. Когда положительное напряжение применяется к актуаторам, атомы кислорода вгоняются в платину и меняются местами с атомами платины. Этот процесс, называемый оксидацией, заставляет платину расширяться на одной стороне в швах между инертными стеклянными панелями, что изгибает структуру в её предопределенную форму. Машины могут удерживать эту форму даже после удаления напряжения, потому что встроенные атомы кислорода сбиваются в барьер, предотвращающий их диффузию наружу.

Применяя отрицательное напряжение к устройству, исследователи могут удалить атомы кислорода и быстро восстановить платину в её первозданное состояние. И варьируя паттерн стеклянных панелей — и то, открыта ли платина сверху или снизу — они могут создавать ряд оригами-структур, актуируемых горными и долинными складками.

Крошечные слои около 30 атомов толщины, по сравнению с листом бумаги, который может быть 100 000 атомов толщиной. Машины складывают сами себя за 100 миллисекунд. Они также могут распрямляться и пересобираться тысячи раз. И им нужен только один вольт для оживления.

Команда сейчас работает над интеграцией актуаторов с формопамятью с схемами для создания ходячих роботов со складными ногами, а также листовидных роботов, движущихся волнообразно вперед. Эти инновации могут когда-нибудь привести к нанороботам, способным очищать бактериальные инфекции из человеческой ткани, микрофабрикам, трансформирующим производство, и роботизированным хирургическим инструментам, в десять раз меньшим текущих устройств.