小型机器人设计论文

如果想要打造一个功能齐全的纳米机器人，只需要集成电子电路、传感器、天线等一系列组件即可。但是如果你想让它移动，你需要可以弯曲的材料。

康奈尔大学的研究团队创造了一种微米级的形状记忆驱动器，通过提供快速振荡电压，可以使原子厚度的平面材料折叠成固体3D结构。而且材料一旦弯曲，即使去掉电压也能保持形状。

该研究成果于3月17日发表在《科学机器人》(Science Robotics)杂志上，标题为“用于低功耗微型机器人的微米级电可编程形状记忆致动器”，并出现在杂志封面上。本文的主要作者是博士后研究员刘庆坤和博士生王伟。

形状记忆效应(Shape memory effect)是指某些材料在受到温度、电磁场或光等外界刺激时，能够保持暂时的特定形状，恢复原来形状的能力。

可以集成到微型智能系统中的理想形状记忆致动器具有许多挑战:材料应该能够长时间保持其形状，可以电驱动，并且可以弯曲到微米级的曲率半径。此外，应使用与现代半导体制造相一致的技术进行制造，以实现与现有电子设备的集成。

该团队开发的纳米设备由纳米厚度的铂薄膜组成，其一侧覆盖有钝化层。通过向铂表面施加直流电压进行电化学氧化，在氧化层中产生导致弯曲的应变。因为嵌入的氧原子会聚集在一起形成势垒，阻止它们扩散，所以即使停止施加电压，该器件也能保持形状。

通过向设备施加负电压，研究人员可以去除氧原子，并快速将铂还原到原始状态。通过改变面板的图案以及铂是暴露在顶部还是底部，可以创建一系列的折纸结构。

这种形状记忆驱动器不仅可以在100 ms内快速折叠，而且可以折叠几千次。它可以在没有电源的情况下长时间保持形状，这样可以最大程度的降低功耗，对微型机器人非常有利。

驱动器还具有很强的灵活性，驱动器的曲率半径可以达到1微米以下。柔性对于微型机器人的制造很重要，因为机器人的大小取决于各种配件的折叠程度。弯曲程度越大，折痕越小，每台机器占地面积越小。

为了展示研究成果，康奈尔大学的研究团队还制作了可能是世界上最小的自折叠折纸鸟。在此之前，他们发明的最小步行机器人获得了吉尼斯世界纪录。现在，他们希望用这只只有60微米宽的自折叠折纸鸟创造一项新的记录。

刘庆坤说:“在如此小的规模上，它不再像传统的机械工程，而是化学、材料科学和机械工程的混合应用。」

领导整个项目的物理学教授Itai Cohen和Paul McEuen称赞刘庆坤的化学背景为该项目带来了额外的惊喜，提供了材料可以折叠并保持形状的电化学反应原理。

科恩说:“最困难的部分是制造能够对CMOS电路做出响应的材料。”“这就是清坤为这个形状记忆驱动所做的。你可以用电压驱动它，让它保持弯曲的形状。」

目前，该团队正在尝试将其形状记忆驱动器与电路集成，以创建一个四肢可折叠的步行机器人和一个通过波浪前进的平板机器人。这些创新可能有一天会使纳米Roomba机器人能够清除人体组织中的细菌感染，甚至开发出比当前手术设备小十倍的纳米机器人。

“我们希望拥有一个有大脑的微型机器人，这意味着我们需要由互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管驱动的组件。」

想象一下，100万个组装好的微型机器人从晶圆上释放出来，折叠成特定的形状，自己完成它的任务，或者组装成更复杂的结构。这是团队的终极愿景。

麦克尤恩认为:“我们作为人类的主要特征是，我们学会了如何在人类规模甚至更大的规模上建造复杂的机器和系统，但我们没有学会如何在小规模上建造机器。学习如何建造一个像细胞一样小的机器是人类可以做到的基本发展步骤。」

到目前为止，McEuen和Cohen的持续合作已经产生了许多纳米级的机器和组件，每一代都比上一代更快、更智能、更优雅。

但一个重要的问题是:设计、制造和操作这种规模的机器人需要改变哪些原则？

“这些薄层大约只有30个原子厚，而纸的厚度是65，438+000，000个原子。因此，弄清楚如何用这种结构制造东西是一个巨大的工程挑战。」

美国陆军作战司令部陆军研究办公室项目经理迪安·卡尔弗(Dean Culver)认可了他们的工作:“科恩教授和他的团队正在突破我们可以在微米甚至纳米尺度上控制运动速度和精度的边界。这项工作的科学进展除了为纳米机器人铺路，还可以实现与智能材料设计和分子生物学的互动。」

论文链接:https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabe6663

参考内容:https://news . Cornell . edu/stories/2021/03/自折叠-纳米技术-创造-世界-小清单-折纸-鸟。