Атомно-силовой микроскоп уместили на чипе
Инженеры из Университета Техаса и Университета Ньюкасла (Австралия) разработали атомно-силовой микроскоп, полностью умещающийся на небольшом чипе. В качестве активных элементов в нем используются микроэлектромеханические системы. Авторы отмечают, что для сборки системы использовался подход «кремний на изоляторе» — его масштабируемость может помочь значительно снизить стоимость приборов. Исследование опубликовано в Journal of Electromechanical Systems.
Атомно-силовой микроскоп — прибор, изучающий поверхность образца с помощью «ощупывания». Одна из главных его частей — кантилевер, очень острая игла, расположенная на специальной балке. Радиус острия иглы может достигать одного нанометра. Когда игла приближается к поверхности, на нее начинают действовать межмолекулярные силы, что приводит к прогибу балки. По этому прогибу можно определить относительную высоту двух соседних точек образца. Для измерения этой величины на балку светят лазером — она играет роль оптического плеча и любое изменение ее положения в пространстве меняет и то, куда отражается лазерный луч (его положение на фотодиоде).
Разрешение микроскопа определяется тем, как точно он может подвести иглу к нужным точкам. В лучших установках эта точность гораздо меньше размеров атома — это позволяет ощупывать и определять форму электронной оболочки отдельных атомов. Как правило, для этого используют пьезоэлектрические моторы — керамические трубки, удлиняющиеся под действием приложенного напряжения. В целом атомно-силовые микроскопы оказываются очень сложными и дорогостоящими системами.
Авторы новой работы предложили изменить схему работы прибора и миниатюризировать микроскоп. Ученые предложили использовать в качестве основы кремниевые МЭМС-устройства, изготавливаемые по технологии «кремний на изоляторе». Эта технология совместима с массовым производством и использует фотолитографические техники.
Устройство, созданное авторами, состоит из тех же принципиальных частей, что и «большие» зондовые микроскопы. В роли пьезоэлектрических моторов в нем выступают электростатические актюаторы: пары проводящих гребенок, притягивающихся друг к другу под действием приложенного напряжения. Две пары таких актюаторов обеспечивают ошибку позиционирования иглы всего в 16 нанометров. Для раскачивания самой иглы, требуемого для сканирования в теппинг-моде («постукивание» образца) используется тонкий слой пьезоэлектрика на балке кантилевера. Его же использовали для анализа механического состояния балки (амплитуды колебаний и так далее) и оценки высоты поверхности. Инженерам удалось успешно использовать созданный микроскоп для анализа поверхности.
Авторы отмечают, что микроэлектромеханические актюаторы позволяют использовать для сканирования поверхности не только стандартные траектории (построчное сканирование), но и более сложные, например, спирали или фигуры Лиссажу. Это может увеличить скорость сканирования образцов.
Атомно-силовая микроскопия активно используется в материаловедении, медицине и многих других технических дисциплинах. Например, с ее помощью ученые научились диагностировать рак, собирать молекулы с помощью манипуляции одиночными атомами, рисовать электрические схемы на графене и управлять лазерами. Благодаря атомно-силовому микроскопу, расположенному на борту космического аппарата «Розетта» физики узнали о строении пыли комет.
Владимир Королёв
Гексакоптер оснащен двумя взлетно-посадочными платформами для квадрокоптеров
Инженеры из Сколтеха разработали гибридный гексакоптер MorphoLander, который выступает в роли передвижного аэродрома для дронов меньшего размера. MorphoLander не только летает, но и может ходить по неровной поверхности при помощи четырех ног. В верхней части корпуса расположены две взлетно-посадочные платформы для микродонов. Дрон может пригодиться для инспекции объектов и поиска пострадавших во время стихийных бедствий, говорится в препринте на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Дроны отлично подходят для выполнения задач поиска, инспекции и мониторинга, но потребляют много энергии и не могут долго находиться в полете. Одним из способов преодолеть это ограничение стала разработка дронов гибридной конструкции, которые могут не только летать, но и передвигаться по земле, например, с помощью колес или ног. Несмотря на то, что такой подход позволяет продлить время работы за счет менее энергозатратного способа передвижения по поверхности, продолжительность полета гибрида и его эффективность часто снижается из-за дополнительного веса. Инженеры под руководством Дмитрия Тетерюкова (Dzmitry Tsetserukou) из Сколтеха предложили использовать громоздкий дрон в качестве носителя для дронов поменьше. Тогда большой дрон выступает в роли передвижного «улья», который в нужный момент выпускает рой маленьких дронов, способных более эффективно выполнить задачу на большой территории за счет совместной работы. Разработанный прототип под названием MorphoLander представляет собой гексакоптер с четырьмя ногами, каждая из которых имеет три степени свободы. С их помощью дрон может передвигаться по неровной поверхности. Масса гибрида немного больше 10 килограмм. Встроенного аккумулятора хватает на 12 минут полета. Сверху на корпусе закреплены две посадочные платформы диаметром 20 сантиметров, на которые могут садиться микродроны. Чтобы микродронам (инженеры использовали Crazyflie 2.1 массой 27 грамм) было проще садиться на MorphoLander, материнский дрон с помощью алгоритма стабилизации старается удерживать горизонтальное положение платформ, подстраивая высоту ног под неровности поверхности. Посадка микродронов происходит под управлением алгоритма машинного обучения, его обучение с подкреплением проходило в симуляторе на платформе игрового движка Unity, который позволяет имитировать физику, с использованием пакета машинного обучения Unity ML Agents. Обученный алгоритм посадки затем испытали в трех сценариях с участием реальных дронов. В первом два микродрона должны были взлетать с расстояния полутора метров от MorphoLander и затем садиться на его платформы. Среднее значение отклонения от центра платформы в этом сценарии составило всего около 5,5 миллиметра. Во втором сценарии микродроны должны были садиться на материнский дрон, стоящий на неровной поверхности. В этом случае ошибка возросла и составила 25 миллиметров. Третий сценарий имитировал реальное применение: микродроны взлетали с платформ, в то время как MorphoLander отходил от места взлета на некоторое расстояние, после чего микродроны должны были сесть обратно. Среднее значение отклонения от центра 20-сантиметровой платформы составило 35 миллиметров. В будущем инженеры планируют увеличить точность и устойчивость алгоритма управления микродронами за счет контроля тяги отдельных винтов. https://www.youtube.com/watch?v=fV8_Ejy81s8&t=1s Совместная работа помогает роботам справляться с более трудными задачами. К примеру японские инженеры разработали систему из работающих в паре дрона и наземного робота. Они соединены друг с другом тросом, что позволяет наземного дрону взбираться на более крутые подъемы. Для этого дрон закрепляет трос на вершине, после чего наземный робот натягивает его с помощью лебедки и поднимается наверх.