ЛЕНТА

Микроскопический оригами-журавль помахал крыльями

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

Поделиться

Схема изменения начального угла при пластическом изгибе

Yi Zhu et al. / Advanced Functional Materials, 2020

Поделиться

Паттерн оригами робожуравля с пластическими и упругими сгибами

Yi Zhu et al. / Advanced Functional Materials, 2020

Поделиться

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.

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

источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Кнопка «Наверх»
Do NOT follow this link or you will be banned from the site!
Установите приложение MEGANEWS на Google Play
УСТАНОВИТЬ
Закрыть
Закрыть

Обнаружен Adblock

Поддержите нас, пожалуйста, отключив блокировку рекламы.