Opvouwbare robots op nanoschaal

Een volledig functionele robot op nanoschaal vereist elektronische circuits, fotovoltaïsche cellen, sensoren en antennes. Maar als de robot moet bewegen, moet hij kunnen buigen. Onderzoekers hebben actuatoren met vormgeheugen van micronformaat gemaakt waarmee atomair dunne tweedimensionale materialen zichzelf in 3D-configuraties kunnen vouwen. Het enige dat ze nodig hebben, is een snelle stroomstoot. En als het materiaal eenmaal is gebogen, behoudt het zijn vorm, zelfs nadat de spanning is verwijderd.

Stel je een miljoen gefabriceerde microscopische robots voor die vrijkomen uit een wafel die zichzelf in vorm vouwen, vrij kruipen en hun taken uitvoeren, zelfs in meer gecompliceerde constructies. De actuator met vormgeheugen van de robot kan met spanning rijden en een gebogen vorm vasthouden.

De actuatoren kunnen buigen met een kromtestraal kleiner dan een micron - de hoogste krommingen van elke spanningsgestuurde actuator in een orde van grootte. Deze flexibiliteit is belangrijk omdat een van de basisprincipes van microscopische robotfabricage is dat de robotafmeting wordt bepaald door hoe klein de verschillende appendages kunnen worden gemaakt om te vouwen. Hoe strakker de bochten, hoe kleiner de vouwen en hoe kleiner de voetafdruk voor elke machine. Het is ook belangrijk dat deze bochten door de robot kunnen worden vastgehouden, waardoor het stroomverbruik wordt geminimaliseerd - een functie die vooral voordelig is voor microscopisch kleine robots en machines.

De apparaten bestaan ​​uit een nanometer-dunne laag platina bedekt met een titanium- of titaniumdioxidefilm. Bovenop die lagen zitten verschillende stijve panelen van siliciumdioxideglas. Wanneer een positieve spanning op de actuatoren wordt toegepast, worden zuurstofatomen in het platina gedreven en van plaats verwisseld met platina-atomen. Dit proces, oxidatie genaamd, zorgt ervoor dat het platina aan één kant uitzet in de naden tussen de inerte glaspanelen, waardoor de structuur in zijn vooraf aangewezen vorm wordt gebogen. De machines kunnen die vorm behouden, zelfs nadat de spanning is verwijderd, omdat de ingebedde zuurstofatomen zich ophopen en een barrière vormen, waardoor ze niet naar buiten kunnen diffunderen.

Door een negatieve spanning op het apparaat aan te brengen, kunnen de onderzoekers de zuurstofatomen verwijderen en het platina snel in zijn oorspronkelijke staat herstellen. En door het patroon van de glaspanelen te variëren - en of het platina aan de boven- of onderkant zichtbaar is - kunnen ze een reeks origami-structuren creëren die worden aangedreven door berg- en valleiplooien.

De minuscule lagen zijn ongeveer 30 atomen dik, vergeleken met een vel papier dat misschien wel 100.000 atomen dik is. De machines vouwen zichzelf binnen 100 milliseconden op. Ze kunnen zichzelf ook duizenden keren plat maken en opnieuw vouwen. En ze hebben maar één volt nodig om tot leven te komen.

Het team werkt momenteel aan de integratie van de actuatoren met vormgeheugen met circuits om looprobots te maken met opvouwbare poten en bladachtige robots die bewegen door naar voren te golven. Deze innovaties kunnen ooit leiden tot nanorobots die bacteriële infecties uit menselijk weefsel kunnen verwijderen, microfabrieken die de productie kunnen transformeren en robotchirurgische instrumenten die tien keer kleiner zijn dan de huidige apparaten.