Science Robotics 封面
■本報(bào)記者 袁一雪
近日,美國康奈爾大學(xué)的中國學(xué)者劉清坤聯(lián)合多位納米科學(xué)家在Science Robotics發(fā)表論文,以闡述該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的只有十幾微米大小的微型機(jī)器人——可折疊千紙鶴。該論文登上期刊封面。
千紙鶴機(jī)器人最吸引人之處并非體積,而是其自我折疊的功能。只要對其施加1V的電壓,不消一秒鐘,它便能從平面自動(dòng)折疊千紙鶴的形狀。
如此微小的機(jī)器人,在制作上的難度卻不亞于甚至大于大型機(jī)器人。
因?yàn)槲⑿蜋C(jī)器人體積雖小,卻要裝備與大型機(jī)器人同樣的傳感器與通信接口與控制電路。而制作這只可自動(dòng)折疊的千紙鶴,更是需要具有形狀記憶功能的微型驅(qū)動(dòng)器。
此前的同類驅(qū)動(dòng)器,一般使用陶瓷、合金和聚合物等打造。但是這種材料很難制作出可安裝晶體管控制的微型驅(qū)動(dòng)器(CMOS),后者是微型驅(qū)動(dòng)器與機(jī)器人的“大腦”相連的關(guān)鍵步驟。為解決這一問題,劉清坤用鉑金屬薄膜表面電化學(xué)氧化還原的方法,制備出一種電控形狀記憶驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器由鉑和惰性材料(二氧化鈦或金屬鈦)組成,其中鉑被后者覆蓋。整個(gè)驅(qū)動(dòng)器體積很小,約30個(gè)原子厚,即不到10納米,因此它的彎曲半徑也非常小,僅有500納米。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)器被施加高電壓時(shí),鉑沒有被惰性材料包裹的部分會(huì)被氧化。隨著氧化的過程,鉑的暴露面就會(huì)伸長,而另一面的長度不變,整個(gè)結(jié)構(gòu)也會(huì)因此變彎。之后,嵌到鉑中的氧原子會(huì)形成一個(gè)壁壘,從而避免擴(kuò)散出來,即使撤掉電壓,依然能保持彎曲形狀,這也是形狀記憶功能的來源;反過來,如果施加低電壓,鉑里面的氧原子就會(huì)離開,此時(shí)再把電壓撤掉,驅(qū)動(dòng)器依然可保持原狀。
不過,一個(gè)由鉑和惰性材料組成的納米大小的微型驅(qū)動(dòng)器,通常只能向一個(gè)方向彎曲。但研究人員改變納米鉑膜和惰性層的沉積順序后,微型驅(qū)動(dòng)器就可向另外一個(gè)方向彎曲,這正是折紙需要的基本功能——雙向折疊。
因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的改進(jìn),研究人員才能制作出體積大小為幾十微米的千紙鶴。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1126/scirobotics.abe6663
《中國科學(xué)報(bào)》 (2021-04-15 第3版 信息技術(shù))