Yi Zhu et al. / Advanced Functional Materials, 2020
Американские инженеры создали миниатюрного робота-журавля на основе разработанной
ими технологии микрооригами с электротермическими актуаторами. Построенные по такой технологии системы показывают высокую скорость работы, слабо зависят от внешних
температурных условий и программируемо трансформируются, сгибаясь из плоских
листов в сложные трехмерные конструкции, говорится в статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.
Японское искусство складывания фигурок из бумаги все
чаще находит применение при разработке устройств с управляемой формой. Например,
эту технику инженеры планируют использовать для создания развертываемых космических
аппаратов и высокомобильных роботов, которые способны адаптироваться к окружению
за счет изменения своей формы.
Технику оригами также пытаются использовать и в микроэлектромеханических
системах, построенных с помощью микротехнологии. Однако существующие на
сегодняшний день прототипы таких устройств обладают рядом
недостатков: у них низкая скорость сгибания и разгибания, мало степеней свободы,
а работа актуаторов сильно зависит от условий окружающей среды, в том числе температуры. Кроме того, они обычно не сочетают в себе одновременно упругие и пластические свойства, что ограничивает функциональность и способность к программируемой трансформации.
Американские инженеры под руководством профессора Евгения
Филипова (Evgueni
T.
Filipov)
из Мичиганского университета разработали технологию создания микроскопических оригами-конструкций, которые
не подвержены перечисленным выше недостаткам. Для этого они использовали методы микротехнологии и электротермические актуаторы.
Разработанные оригами-устройства размером около
одного миллиметра состоят из нескольких слоев. Процесс сборки состоит
из нескольких этапов. Сначала тонкую (0,8 микрометра) пленку фоторезиста SU-8 — материала на основе эпоксидной
смолы — наносят на кремниевую подложку методом центрифугирования. Затем сверху
с помощью метода электронно-лучевого испарения наносят тонкий (0,2 микрометра)
слой золота с промежуточным слоем из хрома, помогающего скрепить золото с
нижележащим слоем, которые затем вытравливаются, для получения необходимого
рисунка схемы. Этот слой будет выполнять функцию электрического нагревателя.
После этого сверху наносится ещё один более толстый (20 микрометров) слой материала
SU-8,
который образует панель оригами-механизма. Наконец травлением дифторидом
ксенона система высвобождается с кремниевой подложки.
Схема одиночного сгиба системы микрооригами
Yi Zhu et al. / Advanced Functional Materials, 2020
Схема изменения начального угла при пластическом изгибе
Yi Zhu et al. / Advanced Functional Materials, 2020
Паттерн оригами робожуравля с пластическими и упругими сгибами
Yi Zhu et al. / Advanced Functional Materials, 2020
В основе работы актуаторов лежит особенность поведения
двухслойной конструкции золота и SU-8.
Из-за разницы коэффициентов теплового расширения в области нагрева слой
SU-8
расширяется сильнее, чем слой металла, тем самым позволяя материалу в области
нагрева сгибаться на большие углы (более 100 градусов). При этом сгибание
происходит обратимым образом и после остывания актуатор возвращается в исходное
состояние.
Таким образом углом отклонения панелей микрооригами
можно управлять с помощью встроенного нагревателя. При достижении критической
температуры (210 градусов Цельсия) фоторезист SU-8 начинает проявлять пластические
свойства: с помощью приложения внешней силы его можно зафиксировать в новом положении,
он запомнит его, а последующие отклонения актуатора будут происходить уже из этого
нового состояния. Это позволяет создавать устройства с перепрограммируемой
формой. Кроме того, новое состояние, полученное пластической деформацией
материала, не будет требовать подведения внешней энергии для поддержания формы
после завершения перепрограммирования. Такое решение энергоэффективно, если не требуется
обратный переход к исходному состоянию.
Очевидно, что работа устройства будет зависеть от температуры
окружающей среды, однако ее воздействие можно компенсировать за счет сдвига
прикладываемого к нагревателю напряжения и тока, что было продемонстрировано инженерами
в диапазоне температур от одного до 49 градусов Цельсия. Этот диапазон был
выбран как наиболее часто встречающийся при работе вне помещения, при этом авторы
указывают, что устройство способно работать и при температуре ниже нуля.
Для исследования возможностей технологии инженеры
создали несколько конструкций: одиночную балку, захваты-манипуляторы,
а также более сложные: схему оригами миура-ори и классическую фигурку оригами — журавля.
Скорость работы актуаторов была исследована на примере
системы с одним сгибом при подаче на нагреватель осциллирующего напряжения. Выяснилось,
что при частоте около 77 Герц балка колеблется с размахом около 65 градусов, что
соответствует скорости 10000 градусов в секунду, а при 150 Герцах колебания
становятся минимальными, что связано с тем, что актуатор не успевает нагреваться и остывать.
Манипуляторы инженеры использовали для демонстрации
работы механизма с несколькими степенями свободы. Один из манипуляторов
трансформируется из плоской формы при включении тока, и способен вернуться к
ней при отключении нагревателей. А второй оснащен выступами-замками, которые фиксируют
конструкцию в рабочем положении, тем самым делая ее невосприимчивой к колебаниям внешней
температуры.
[embedded content]
Наиболее сложным устройством в работе стал журавль, «тело»
которого состоит из нескольких активных и пассивных (без нагревателя) сгибов. С
помощью перегрева и пластической деформации части активных сгибов производится
сборка журавля из плоской формы в объемную оригами-конструкцию. После чего,
подавая напряжение на два боковых сгиба, инженеры заставили журавля взмахивать
крыльями.
По словам авторов работы, их разработка пригодится для
создания медицинских устройств, микророботов и метаматериалов. А главный
недостаток новой конструкции — способность сгибаться только в одном
направлении, можно устранить, если удастся найти другой активный полимер, на
что и будут направлены дальнейшие исследования. Кроме того, микророботов можно оснастить отдельным источником питания, повысив их автономность.
Ранее американские инженеры из Калифорнийского
университета в Сан-Диего использовали технику оригами для создания робочервя из
модулей с актуаторами на основе жидкокристаллического эластомера.
Андрей Фокин
Source: N+1: научные статьи
Комментариев нет:
Отправить комментарий