Микроскопический оригами-журавль помахал крыльями

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.

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