折紙鶴可能是很多人的童年回憶。

【動(dòng)圖截自 UP 主：折紙的白叔】

如今，科學(xué)家們也設(shè)計(jì)了一種“紙鶴”。

這種“紙鶴”的特別之處在于，不用一秒，它就能通過(guò)自折疊的方式呈現(xiàn)出一只紙鶴的形態(tài)，其大小在納米級(jí)。

就在最新一期的機(jī)器人頂刊 Science Robotics（《科學(xué)-機(jī)器人》）上，這只神奇的“紙鶴”登上了封面！

2021 年 3 月 17 日，相關(guān)研究成果發(fā)表于 Science Robotics，題為 Micrometer-sized electrically programmable shape-memory actuators for low-power microrobotics（用于低功率微型機(jī)器人的微米大小可編程形狀記憶驅(qū)動(dòng)器）。

論文作者來(lái)自美國(guó)康奈爾大學(xué)（原子和固態(tài)物理實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械與航空航天工程學(xué)院、應(yīng)用與工程物理學(xué)院、卡弗里納米尺度科學(xué)研究所）、賓夕法尼亞大學(xué)（電氣和系統(tǒng)工程系）。

何為「納米級(jí)形狀記憶驅(qū)動(dòng)器」？

論文合著者之一、康奈爾大學(xué)物理學(xué)教授 Paul McEuen 表示：

人類已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何建造大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)和機(jī)器，但我們還沒(méi)有學(xué)會(huì)如何在小尺度上制造機(jī)器，而這將是人類學(xué)習(xí)建造細(xì)胞級(jí)大小機(jī)器的重要一步。

先來(lái)思考一個(gè)問(wèn)題：設(shè)計(jì)一個(gè)功能齊全的納米級(jí)機(jī)器人，需要加入哪些組件進(jìn)去？

復(fù)雜的電子電路、光伏、傳感器、天線等自然都必不可少，但同樣重要的是，如果想讓這款機(jī)器人動(dòng)起來(lái)，它還得學(xué)會(huì)彎曲。

考慮到這一點(diǎn)，形狀記憶驅(qū)動(dòng)器（shape memory actuator）將是一大關(guān)鍵。

那么，何為形狀記憶驅(qū)動(dòng)器？

論文介紹，其原理在于形狀記憶效應(yīng)，即某些材料在暴露于外部刺激（例如溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)或光）時(shí)能保持臨時(shí)形狀并可恢復(fù)其原始形狀的能力。

基于這一效應(yīng)的形狀記憶驅(qū)動(dòng)器允許機(jī)器人、醫(yī)療植入物等設(shè)備在沒(méi)有持續(xù)供電的情況下保持形狀，這種特性在設(shè)備不受束縛且電力有限的情況下顯得尤其有利。

實(shí)際上，要想把這種驅(qū)動(dòng)器用于納米級(jí)機(jī)器人，理想情況下須做到以下幾點(diǎn)：

• 材料能在足夠長(zhǎng)的時(shí)間里保持形狀（或許是幾個(gè)小時(shí)，或許是幾個(gè)月）；

• 由電驅(qū)動(dòng)；

• 曲率半徑可彎曲到微米尺度；

• 快速運(yùn)作；

• 堅(jiān)固耐用；

• 通過(guò)與現(xiàn)代半導(dǎo)體制造相一致的技術(shù)打造。

正如論文合著者之一 Itai Cohen 所言：

我們想打造一種微觀機(jī)器人，但這種機(jī)器人是有大腦的。所以這意味著我們需要由 CMOS（注：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）晶體管驅(qū)動(dòng)的附屬物。

如何打造「納米級(jí)形狀記憶驅(qū)動(dòng)器」？

雖然此前曾有研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)聚合物、合金和陶瓷等打造出了形狀記憶驅(qū)動(dòng)器，但很大程度上還是很難打造出微米級(jí)的電子形狀記憶驅(qū)動(dòng)器，特別是那些由標(biāo)準(zhǔn)電子（~1 伏特）驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。

基于此，科學(xué)家們利用鉑金屬薄膜表面氧化的電化學(xué)策略，打造了具有高循環(huán)性的電動(dòng)控制形狀記憶驅(qū)動(dòng)器。

具體來(lái)講，這種驅(qū)動(dòng)器的大致結(jié)構(gòu)是：一層 2 納米的鈦/二氧化鈦薄膜上面覆蓋著一層厚度為 7 納米的鉑，再上面是幾塊堅(jiān)硬的二氧化硅玻璃。

值得注意的是，這些微小的薄膜只有大約 30 個(gè)原子厚，而我們?cè)谏钪谐Ｒ?jiàn)的一張紙可能就有 10 萬(wàn)個(gè)原子厚。

當(dāng)正電壓被應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)器時(shí)，氧原子被驅(qū)動(dòng)到鉑，和鉑原子交換位置——這個(gè)過(guò)程就叫做氧化，它使得鉑在惰性玻璃板之間的縫隙中膨脹，使結(jié)構(gòu)彎曲成預(yù)定形狀。即使電壓移除，這種形狀也將保持，因?yàn)榍度氲难踉訒?huì)聚集起來(lái)，形成一個(gè)屏障，防止鉑原子擴(kuò)散出去。

而當(dāng)負(fù)電壓被應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)器時(shí)，科學(xué)家們就可以移除氧原子，并迅速將鉑恢復(fù)到原始狀態(tài)。通過(guò)改變玻璃面板的圖案，無(wú)論鉑位在頂部還是底部，都可以產(chǎn)生出一系列形變。

下圖是電化學(xué)過(guò)程示意圖。

具體到性能，驅(qū)動(dòng)器可達(dá)到亞微米的曲率半徑（如下圖所示）。

此外，其特點(diǎn)還在于可快速響應(yīng)（100 毫秒運(yùn)行）、低電壓、可重構(gòu)。

不過(guò)這些特點(diǎn)有何重要意義呢？

康奈爾大學(xué)官方表示：

致動(dòng)器的曲率半徑小于一微米，它的曲率在任何電壓驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器中都是最高數(shù)量級(jí)。這種靈活性很關(guān)鍵，因?yàn)槲⑿蜋C(jī)器人制造的基本原則之一就是，其大小取決于各種附件可被折疊成的大小。越能彎曲，折痕就越小，機(jī)器人的占地面積就越小。不僅如此，這也保證功耗能降至最低，這一特點(diǎn)對(duì)微型機(jī)器人尤其有利。

世界上最小的自折疊紙鶴

這種納米級(jí)形狀記憶驅(qū)動(dòng)器的效果如何呢？

論文顯示，有了這種驅(qū)動(dòng)器，原子厚度的二維材料能被折疊成三維結(jié)構(gòu)——如上所示，這一過(guò)程中科學(xué)家們只需進(jìn)行快速電壓突變，即便電壓被移除，受到彎曲的材料也能保持其形狀。

我們可以這樣想象：一百萬(wàn)個(gè)微型機(jī)器人從晶圓中被釋放出來(lái)，它們可以自我折疊成型，自由移動(dòng)完成任務(wù)，甚至還能組裝視覺(jué)上更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

基于上述研究，科學(xué)家們做了一個(gè)演示——打造了一只寬為 60 微米的千紙鶴。

據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)曾因一款行走機(jī)器人獲得了吉尼斯世界紀(jì)錄的認(rèn)可，如今他們希望用這款或許是世界上最小的千紙鶴來(lái)嘗試創(chuàng)造另一項(xiàng)記錄。

正如研究團(tuán)隊(duì)表示：

這是當(dāng)前最先進(jìn)設(shè)備的一次重大進(jìn)步。

引用來(lái)源：

https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabe6663

https://news.cornell.edu/stories/2021/03/self-folding-nanotech-creates-worlds-smallest-origami-bird

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