如果想要打造壹個功能齊全的納米機器人，只需要集成電子電路、傳感器、天線等壹系列組件即可。但是如果妳想讓它移動，妳需要可以彎曲的材料。
康奈爾大學的研究團隊創造了壹種微米級的形狀記憶驅動器，通過提供快速振蕩電壓，可以使原子厚度的平面材料折疊成固體3D結構。而且材料壹旦彎曲，即使去掉電壓也能保持形狀。
該研究成果於3月17日發表在《科學機器人》(Science Robotics)雜誌上，標題為“用於低功耗微型機器人的微米級電可編程形狀記憶致動器”，並出現在雜誌封面上。本文的主要作者是博士後研究員劉慶坤和博士生王偉。
形狀記憶效應(Shape memory effect)是指某些材料在受到溫度、電磁場或光等外界刺激時，能夠保持暫時的特定形狀，恢復原來形狀的能力。
可以集成到微型智能系統中的理想形狀記憶致動器具有許多挑戰:材料應該能夠長時間保持其形狀，可以電驅動，並且可以彎曲到微米級的曲率半徑。此外，應使用與現代半導體制造相壹致的技術進行制造，以實現與現有電子設備的集成。
該團隊開發的納米設備由納米厚度的鉑薄膜組成，其壹側覆蓋有鈍化層。通過向鉑表面施加直流電壓進行電化學氧化，在氧化層中產生導致彎曲的應變。因為嵌入的氧原子會聚集在壹起形成勢壘，阻止它們擴散，所以即使停止施加電壓，該器件也能保持形狀。
通過向設備施加負電壓，研究人員可以去除氧原子，並快速將鉑還原到原始狀態。通過改變面板的圖案以及鉑是暴露在頂部還是底部，可以創建壹系列的折紙結構。
這種形狀記憶驅動器不僅可以在100 ms內快速折疊，而且可以折疊幾千次。它可以在沒有電源的情況下長時間保持形狀，這樣可以最大程度的降低功耗，對微型機器人非常有利。
驅動器還具有很強的靈活性，驅動器的曲率半徑可以達到1微米以下。柔性對於微型機器人的制造很重要，因為機器人的大小取決於各種配件的折疊程度。彎曲程度越大，折痕越小，每臺機器占地面積越小。
為了展示研究成果，康奈爾大學的研究團隊還制作了可能是世界上最小的自折疊折紙鳥。在此之前，他們發明的最小步行機器人獲得了吉尼斯世界紀錄。現在，他們希望用這只只有60微米寬的自折疊折紙鳥創造壹項新的記錄。
劉慶坤說:“在如此小的規模上，它不再像傳統的機械工程，而是化學、材料科學和機械工程的混合應用。」
領導整個項目的物理學教授Itai Cohen和Paul McEuen稱贊劉慶坤的化學背景為該項目帶來了額外的驚喜，提供了材料可以折疊並保持形狀的電化學反應原理。
科恩說:“最困難的部分是制造能夠對CMOS電路做出響應的材料。”“這就是清坤為這個形狀記憶驅動所做的。妳可以用電壓驅動它，讓它保持彎曲的形狀。」
目前，該團隊正在嘗試將其形狀記憶驅動器與電路集成，以創建壹個四肢可折疊的步行機器人和壹個通過波浪前進的平板機器人。這些創新可能有壹天會使納米Roomba機器人能夠清除人體組織中的細菌感染，甚至開發出比當前手術設備小十倍的納米機器人。
“我們希望擁有壹個有大腦的微型機器人，這意味著我們需要由互補金屬氧化物半導體(CMOS)晶體管驅動的組件。」
想象壹下，100萬個組裝好的微型機器人從晶圓上釋放出來，折疊成特定的形狀，自己完成它的任務，或者組裝成更復雜的結構。這是團隊的終極願景。
麥克尤恩認為:“我們作為人類的主要特征是，我們學會了如何在人類規模甚至更大的規模上建造復雜的機器和系統，但我們沒有學會如何在小規模上建造機器。學習如何建造壹個像細胞壹樣小的機器是人類可以做到的基本發展步驟。」
到目前為止，McEuen和Cohen的持續合作已經產生了許多納米級的機器和組件，每壹代都比上壹代更快、更智能、更優雅。
但壹個重要的問題是:設計、制造和操作這種規模的機器人需要改變哪些原則？
“這些薄層大約只有30個原子厚，而紙的厚度是65，438+000，000個原子。因此，弄清楚如何用這種結構制造東西是壹個巨大的工程挑戰。」
美國陸軍作戰司令部陸軍研究辦公室項目經理迪安·卡爾弗(Dean Culver)認可了他們的工作:“科恩教授和他的團隊正在突破我們可以在微米甚至納米尺度上控制運動速度和精度的邊界。這項工作的科學進展除了為納米機器人鋪路，還可以實現與智能材料設計和分子生物學的互動。」
論文鏈接:https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabe6663
參考內容:https://news . Cornell . edu/stories/2021/03/自折疊-納米技術-創造-世界-小清單-折紙-鳥。