Голография помогла создать миниатюрную 3D-батарейку
Ученые из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне в США создали 3D-батарею размером 2×2 миллиметра, емкости которой достаточно, чтобы питать небольшую микросхему. Новое устройство было произведено при помощи методов 3D-голографической литографии и фотолитографии. Работа опубликована в Proceedings of National Academy of Sciences.
Для работы всех электронных устройств необходимы источники питания, которые зачастую занимают достаточно большой объем. Это накладывает ряд ограничений на дизайн и потенциальную сферу применения таких устройств. Для решения этой проблемы делаются попытки создать элементы питания, имеющие значительную емкость при миниатюрных размерах.
Одно из направлений — тонкие батареи, состоящие из двух плоских электродов и объема электролита между ними. Они занимают небольшой объем, но большую площадь. Для оптимизации размеров устройства ученые стремятся найти оптимальный баланс между толщиной и площадью. В случае плоских электродов такой подход не дает хороших результатов из-за ограниченной подвижности ионов при увеличении толщины батареи.
Для решения этой проблемы ученые в новой работе создали «3D-батареи», в которых внутри электродов создана развитая система полостей и пор, что увеличивает эффективную поверхность электродов и частично снимает ограничения на подвижность внутри них.
Для создания этого устройства авторы пользовались методом 3D-голографической литографии. Он позволяет при помощи нескольких лазерных лучей вытравливать строго определенные участки из материала, создавая таким образом упорядоченные трехмерные структуры — пористые электроды.
Для их оптимального расположения на самой батарее применялась стандартная фотолитография, которая также при помощи лазерного луча позволяет придавать материалу необходимую двухмерную форму.
В качестве материалов анодов авторы использовали NiSn, а для катодов — LiMnO2. Полученные устройства достигали пиковой мощности 3600 микроватт на квадратный сантиметр при микронной толщине. Для теста такой батареи в условиях реального микрочипа ученые собрали простую цепь с красным светодиодом. Емкости их элемента хватало, чтобы держать светодиод зажженным в течении 10 секунд, а после 200 циклов перезарядки батарея сохраняла 88% изначальной емкости.
Подобные элементы питания могут найти применение для создания небольших беспроводных сенсоров, медицинских имплантов или электромеханических актуаторов — миниатюрных приводов, которые могут использоваться, например, в робототехнике.
Его скорость по вертикальным поверхностям достигает шести сантиметров в секунду
Инженеры разработали прототип гибридного орнитоптера, который может садиться и ездить по вертикальным поверхностям. Помимо четырех машущих крыльев он имеет два воздушных винта и гусеничный привод с клейкими лентами, который используется для движения по стенам. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Research. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Свобода передвижения, доступная летающим насекомым, давно вдохновляет инженеров, разрабатывающих беспилотники. К примеру способность мух быстро переходить от маневренного полета к передвижению по вертикальной поверхности пытались реализовать создатели дрона SCAMP. Они оснастили квадрокоптер двумя ножками с металлическими коготками, с помощью которых дрон может передвигаться по стенам, цепляясь за мелкие неровности. В случае срыва, дрон быстро включает роторы, чтобы предотвратить крушение. Существуют и другие прототипы мультироторных дронов, со способностью садиться на стены, однако орнитоптеры (даже с ногами) до сих пор на стену садиться не умели. Инженеры под руководством Цзи Айхуна (Aihong Ji) из Нанкинского университета аэронавтики и космонавтики разработали гибридный орнитоптер с небольшими вспомогательными воздушными винтами. Он может садиться на вертикальные поверхности, взлетать с них, а также передвигаться по ним, используя небольшой гусеничный привод с клейким покрытием и прижимную силу пропеллеров. Основную подъемную силу орнитоптера массой 135 грамм создают четыре машущих крыла, расположенные по X-образной схеме. Левая и правая пары крыльев приводятся в движение индивидуальными электромоторами. Изменяя независимо частоту их взмахов можно управлять беспилотником по оси крена. При полете на обычной скорости частота взмахов составляет 15 Герц, а максимально допустимая — 20 Герц. На носу и в хвосте орнитоптера расположены воздушные винты небольшого диаметра. В полете они генерируют дополнительную тягу, а также служат для управления по оси тангажа, отклоняя беспилотник вперед или назад. Ротор, установленный в хвосте, дополнительно имеет механизм управления вектором тяги — он может отклоняться с помощью сервопривода влево или вправо. Благодаря этому происходит управление орнитоптером по оси рыскания. В передней части аппарата установлен гусеничный привод, который используются для движения по вертикальным плоскостям. Ленты привода покрыты полидиметилсилоксаном, адгезивные свойства которого позволяют орнитоптеру удерживать сцепление с вертикальной поверхностью. При посадке на вертикальную поверхность орнитоптер сначала касается ее лентами привода, после чего изменяет уровни тяги хвостового и переднего роторов и переворачивается, прижав хвост к стене. Далее тяга роторов используется для создания прижимной силы. Так повышается сцепление и исключается возможное опрокидывание при движении. Взлет происходит в обратном порядке. Полный непрерывный переход воздух—стена—воздух происходит за 6,1 секунды. Прижимаясь к поверхности, гибрид может перемещаться по ней с помощью гусениц со скоростью до шести сантиметров в секунду. В экспериментах орнитоптер смог успешно сесть и прокатиться по стеклу, деревянной двери, мрамору, древесной коре, эластичной ткани и окрашенному листу металла. В воздухе на одной зарядке прототип может находиться около четырех минут и пролетать за это время около одного километра с максимальной скоростью 6,8 метров в секунду. https://www.youtube.com/watch?v=5st-wNxukTg В будущем разработчики планируют повысить сцепление гусеничного узла за счет добавки микрошипов в материал гусеничных лент. Также орнитоптеру добавят автономности — для этого его осностят сенсорами для самостоятельной навигации. Ранее другая команда инженеров, вдохновившись устройством крыльев жука-носорога, создала механическое крыло, которое может на короткое время складываться при ударе о препятствие, а затем вновь распрямляться за счет подвижного узла в верхней кромке. Миниатюрный орнитоптер с такими крыльями может продолжать стабильный полет, даже если его крылья ударяются об окружающие предметы.