Revolutionaire Nanoschaal Vouwbare Robots: Vormgeheugen Actuators Benutten

Een volledig functionele nanoschaal robot vereist elektronische circuits, fotovoltaïsche cellen, sensoren, en antennes. Maar als de robot moet bewegen, moet hij in staat zijn te buigen. Onderzoekers hebben micron-grote vormgeheugen actuators gecreëerd die atomaar dunne twee-dimensionale materialen in staat stellen zichzelf in 3D-configuraties te vouwen. Alles wat ze vereisen is een snelle spanningspiek. En eenmaal het materiaal gebogen is, houdt het zijn vorm zelfs na verwijdering van de spanning.

Stel je een miljoen gefabriceerde microscopische robots vrijkomend van een wafer die zichzelf in vorm vouwen, loskruipen, en aan hun taken gaan, zelfs samengaan tot complexere structuren. De robots' vormgeheugen actuator kan met spanning sturen en een gebogen vorm vasthouden.

De actuators kunnen buigen met een krommingsstraal kleiner dan een micron — de hoogste krommingen van elk spanning-angedreven actuator met een orde van grootte. Deze flexibiliteit is belangrijk omdat een van de basisprincipes van microscopische robotproductie is dat de robotgrootte wordt bepaald door hoe klein de diverse ledematen gemaakt kunnen worden om te vouwen. Hoever de buigingen, des te kleiner de vouwen, en des te kleiner het voetafdruk voor elke machine. Het is ook belangrijk dat deze buigingen door de robot vastgehouden kunnen worden, wat de energieverbruik minimaliseert — een functie die vooral voordelig is voor microscopische robots en machines.

De apparaten bestaan uit een nanometer-dunne laag platina afgedekt met een titanium of titaniumdioxide film. Verschillende starre panelen van siliciumdioxide glas zitten boven op die lagen. Wanneer een positieve spanning wordt toegepast op de actuators, worden zuurstofatomen in de platina gedreven en ruilen ze plaats met platina-atomen. Dit proces, oxidatie genoemd, zorgt ervoor dat de platina aan één kant uitzet in de naden tussen de inerte glaspanelen, wat de structuur in zijn vooraf bepaalde vorm buigt. De machines kunnen die vorm vasthouden zelfs na verwijdering van de spanning omdat de ingebedde zuurstofatomen opschuiven om een barrière te vormen, wat hen voorkomt te diffuseren.

Door een negatieve spanning toe te passen op het apparaat, kunnen de onderzoekers de zuurstofatomen verwijderen en de platina snel herstellen tot zijn onberispelijke toestand. En door het patroon van de glaspanelen te variëren — en of de platina aan de boven- of onderkant blootgesteld is — kunnen ze een reeks origami-structuren creëren geactueerd door berg- en dalvouwen.

De minuscule lagen zijn ongeveer 30 atomen dik, vergeleken met een vel papier dat 100.000 atomen dik zou kunnen zijn. De machines vouwen zichzelf binnen 100 milliseconden. Ze kunnen ook vervellen en zich duizenden keren hervouwen. En ze hebben slechts één volt nodig om tot leven te komen.

Het team werkt momenteel aan het integreren van de vormgeheugen actuators met circuits om looprobots met vouwbare poten te maken alsook vel-achtige robots die vooruit bewegen door ongolvend. Deze innovaties kunnen er een dag toe leiden tot nanorobots die bacteriële infecties uit menselijk weefsel kunnen reinigen, micro-fabrieken die productie kunnen transformeren, en robotische chirurgische instrumenten die tien keer kleiner zijn dan huidige apparaten.