Bacterias programables
Si desea construir un nanorobot completamente funcional, solo necesita integrar una serie de componentes como circuitos electrónicos, sensores y antenas. Pero si quieres que se mueva, necesitas materiales que puedan doblarse.
Un equipo de investigación de la Universidad de Cornell ha creado un actuador con memoria de forma a escala micrométrica que puede hacer que materiales planos atómicamente gruesos se doblen en estructuras sólidas en 3D proporcionando un voltaje oscilante rápido. Y una vez que el material se dobla, conserva su forma incluso cuando se elimina la tensión.
Los resultados de la investigación se publicaron en la revista "Science Robotics" el 17 de marzo, con el título "Actuadores de memoria de forma programables eléctricamente a escala micrométrica para microrobots de baja potencia", y aparecieron en las portadas de las revistas. Los autores principales de este artículo son el investigador postdoctoral Liu Qingkun y el estudiante de doctorado Wang Wei.
El efecto de memoria de forma se refiere a la capacidad de ciertos materiales de mantener una forma específica temporal y restaurar su forma original cuando se someten a estímulos externos como la temperatura, el campo electromagnético o la luz.
Los actuadores con memoria de forma ideales que pueden integrarse en pequeños sistemas inteligentes tienen muchos desafíos: el material debe poder mantener su forma durante largos períodos de tiempo, ser accionable eléctricamente y doblarse a radios de escala micrométrica. curvatura. Además, debería fabricarse utilizando tecnologías compatibles con la fabricación moderna de semiconductores para permitir la integración con los dispositivos electrónicos existentes.
El nanodispositivo desarrollado por el equipo consiste en una película de platino de un espesor nanométrico recubierta en un lado por una capa de pasivación. La oxidación electroquímica se realiza aplicando un voltaje de CC a la superficie del platino, creando tensiones en la capa de óxido que provocan la flexión. Debido a que los átomos de oxígeno incrustados se agrupan para formar una barrera que evita que se difundan, el dispositivo conserva su forma incluso cuando se corta el voltaje.
Al aplicar un voltaje negativo al dispositivo, los investigadores pudieron eliminar los átomos de oxígeno y reducir rápidamente el platino a su estado original. Variando el patrón de los paneles y si el platino está expuesto en la parte superior o inferior, se pueden crear una serie de estructuras de origami.
Este actuador con memoria de forma no solo se puede plegar rápidamente en 100 ms, sino que también se puede plegar miles de veces. Puede mantener su forma durante mucho tiempo sin suministro de energía, lo que puede minimizar el consumo de energía y es muy beneficioso para los microrobots.
El controlador también es muy flexible y el radio de curvatura del controlador puede alcanzar menos de 1 micrón. La flexibilidad es importante en la fabricación de microrobots porque el tamaño del robot depende de qué tan bien se puedan plegar los distintos accesorios. Cuanto mayor es la curvatura, más pequeño es el pliegue y menor es la huella de cada máquina.
Para demostrar los resultados de su investigación, el equipo de investigación de la Universidad de Cornell también creó lo que puede ser el pájaro de origami autoplegable más pequeño del mundo. Antes de esto, el robot andante más pequeño que inventaron ganó el récord mundial Guinness. Ahora esperan establecer un nuevo récord con un pájaro de origami autoplegable de sólo 60 micrones de ancho.
Liu Qingkun dijo: "A una escala tan pequeña, ya no es como la ingeniería mecánica tradicional, sino una aplicación mixta de química, ciencia de materiales e ingeniería mecánica".
Liderando el Itai Cohen y Paul McEuen, profesores de física del proyecto, elogiaron la experiencia en química de Liu Qingkun por traer sorpresas adicionales al proyecto, proporcionando los principios de las reacciones electroquímicas mediante las cuales los materiales pueden plegarse y mantener su forma.
"La parte más difícil es fabricar materiales que respondan a los circuitos CMOS", dijo Cohen. "Eso es lo que hizo Qingkun para este controlador de memoria de forma. Puedes controlarlo con un voltaje y hacer que mantenga su forma curva. ."
Actualmente, el equipo está intentando integrar su unidad de memoria de forma con circuitos para crear un robot andante con extremidades plegables y un robot plano que puede impulsarse a través de ondas. Estas innovaciones podrían algún día permitir que los robots nanoRoomba eliminen infecciones bacterianas en el tejido humano, o incluso desarrollar nanorobots que sean diez veces más pequeños que los equipos quirúrgicos actuales.
“Queremos tener un robot diminuto con cerebro, lo que significa que necesitamos componentes impulsados por transistores semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS)”.
Imagínese un millón de microrobots ensamblados. se libera de la oblea, se pliega en una forma específica, completa sus tareas por sí solo o se ensambla en estructuras más complejas. Esta es la visión definitiva del equipo.
McEwan cree: “La principal característica de nosotros como humanos es que hemos aprendido a construir máquinas y sistemas complejos a escala humana e incluso a escalas mayores, pero no hemos aprendido a construir máquinas y sistemas complejos. a pequeñas escalas. Aprender cómo construir una máquina tan pequeña como una célula es un paso de desarrollo fundamental que los humanos pueden dar. Hasta la fecha, la colaboración continua de McEuen y Cohen ha producido muchos componentes a nanoescala, cada generación es más rápida y más inteligente. y más elegante que el anterior.
Pero una pregunta importante es: ¿Qué principios es necesario cambiar para diseñar, construir y operar robots de esta escala?
"Estas finas capas tienen sólo unos 30 átomos de espesor, mientras que el papel tiene 65.438+000.000 de átomos de espesor. Así que descubrir cómo hacer algo con esta estructura es un enorme desafío de ingeniería”
Dean Culver, director de programas de la Oficina de Investigación del Ejército del Comando de Combate del Ejército de EE. UU., reconoció su trabajo: “El profesor Cohen y su equipo están superando los límites de lo que podemos hacer a escalas de micrones e incluso nanómetros. El progreso científico de este trabajo no puede. no solo allana el camino para los nanorobots, sino que también permite la interacción con el diseño de materiales inteligentes y la biología molecular".
Enlace del artículo: https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabe6663
Contenido de referencia: https://news.Cornell.edu/stories/2021/03/self-folding-nanotechnology-creation-world-small Checklist - Origami - Bird.