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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
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