Bøjende fingre til mikrorobotik:Forskere skaber en kraftfuld, mikroskala aktuator

Forskere fra DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California, Berkeley, har udviklet en elegant og kraftfuld ny mikroskala-aktuator, der kan bøje sig som en lille vinkende finger. Baseret på et oxidmateriale, der udvider sig og trækker sig dramatisk sammen som reaktion på en lille temperaturvariation, aktuatorerne er mindre end bredden af ​​et menneskehår og er lovende for mikrofluidik, medicin levering, og kunstige muskler.

"Vi mener, at vores mikroaktuator er mere effektiv og kraftfuld end nogen nuværende mikroskala-aktiveringsteknologi, herunder menneskelige muskelceller, " siger Berkeley Lab og UC Berkeley videnskabsmand Junqiao Wu. "Hvad mere er, den bruger dette meget interessante materiale - vanadiumdioxid - og fortæller os mere om den grundlæggende materialevidenskab om faseovergange."

Wu er den korresponderende forfatter til et papir, der vises i Nano bogstaver denne måned, der rapporterer disse resultater, med titlen "Giant-Amplitude, Mikroaktuatorer med høj arbejdsdensitet med faseovergangsaktiverede nanolagsbimorfer." Som det ofte sker i videnskaben, Wu og hans kolleger nåede frem til mikroaktuator-ideen ved et uheld, mens du studerer et andet problem.

Vanadiumdioxid er et lærebogseksempel på et stærkt korreleret materiale, hvilket betyder, at hver elektrons adfærd er uløseligt forbundet med dens naboelektroner. Den resulterende eksotiske elektroniske adfærd har gjort vanadiumdioxid til et genstand for videnskabelig undersøgelse i årtier, meget af det fokuserede på et usædvanligt par faseovergange.

Ved opvarmning til over 67 grader celsius, vanadiumdioxid omdannes fra en isolator til et metal, ledsaget af en strukturel faseovergang, der krymper materialet i én dimension, mens det udvides i de to andre. I årtier, forskere har diskuteret, om den ene af disse faseovergange driver den anden, eller om de er separate fænomener, der tilfældigt opstår ved samme temperatur.

Wu kastede lys over dette spørgsmål i tidligere arbejde offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve , hvor han og hans kolleger isolerede de to faseovergange i enkeltkrystal nanotråde af vanadiumdioxid og demonstrerede, at de er adskillelige og kan drives uafhængigt. Holdet løb ind i vanskeligheder med eksperimenterne, imidlertid, når nanotrådene brød væk fra deres elektrodekontakter under den strukturelle faseovergang.

"Ved overgangen, en 100 mikron lang tråd krymper med omkring 1 mikron, som nemt kan bryde kontakten, " siger Wu, der har en dobbeltansættelse som professor i UC Berkeleys afdeling for Materials Sciences and Engineering. "Så vi begyndte at stille spørgsmålet:det her er dårligt, men kan vi gøre en god ting ud af det? Og aktivering er den naturlige anvendelse."

For at drage fordel af svindet, forskerne fremstillede en fritstående strimmel af vanadiumdioxid med et chrommetallag ovenpå. Når strimlen opvarmes via en lille elektrisk strøm eller et glimt af laserlys, vanadiumdioxiden trækker sig sammen, og hele strimlen bøjes som en finger.

"Forskydningen af ​​vores mikroaktuator er enorm, " siger Wu, "tivis af mikron for en aktuatorlængde i samme størrelsesorden - meget større end du kan få med en piezoelektrisk enhed - og samtidig med meget stor kraft. Jeg er meget optimistisk over, at denne teknologi vil blive konkurrencedygtig i forhold til piezoelektrisk teknologi, og kan endda erstatte det."

Piezoelektriske aktuatorer er industristandarden for mekanisk aktivering på mikroskala, men de er komplicerede at vokse, brug for store spændinger til små forskydninger, og involverer typisk giftige materialer såsom bly. "Men vores enhed er meget enkel, materialet er ikke-giftigt, og forskydningen er meget større ved en meget lavere drivspænding, " siger Wu. "Du kan se den bevæge sig med et optisk mikroskop! Og det fungerer lige så godt i vand, gør den velegnet til biologiske og mikrofluidiske applikationer."

Forskerne forestiller sig at bruge mikroaktuatorerne som små pumper til medicinafgivelse eller som mekaniske muskler i robotter i mikroskala. I disse applikationer, aktuatorens usædvanligt høje arbejdstæthed - den effekt, den kan levere pr. volumenhed - giver en stor fordel. Unse for unse, vanadium-dioxid-aktuatorerne leverer en kraft, der er tre størrelsesordener større end menneskelig muskel. Wu og hans kolleger samarbejder allerede med Berkeley Sensing and Actuation Center for at integrere deres aktuatorer i enheder til applikationer såsom strålingsdetektionsrobotter til farlige miljøer.

Holdets næste mål er at skabe en torsionsaktuator, hvilket er en meget mere udfordrende udsigt. Wu forklarer:"Torsionaktuatorer involverer typisk et kompliceret design af gear, shafts and/or belts, and so miniaturization is a challenge. But here we see that with just a layer of thin-film we could also make a very simple torsional actuator."