Tredimensionel mikroteknologi med origami-foldekunst

Antoine Legrain, doktorgradskandidat ved University of Twente, har udviklet en metode til at designe mikroteknologi i tre dimensioner. Den eksisterende minielektronik i computere og smartphones, for eksempel, er stærkt todimensionel og er bygget på et meget tyndt lag. I en mikroverden i 3D, flere transistorer kan indsættes i et kabinet, så vi får mere hukommelse eller hurtigere processorer. Legrain blev inspireret i sit arbejde af Origami, den japanske kunst at folde, som han anvender på mikroniveau. I dette tilfælde, han arbejder med strukturer, der har diameteren af ​​et saltkorn.

Mikroteknologi har radikalt ændret vores liv, både inden for elektronik og mekanik. Alle møder dette hver dag og bruger vellykkede eksempler, såsom accelerometeret i smartphones eller sensoren i bilairbags. Imidlertid, der kan stadig gøres enorme fremskridt inden for mikroteknologi. De nuværende applikationer er todimensionelle. Alt lægges på et tyndt lag glas eller silicium, som anvendes i ren form til fremstilling af halvlederchips, for eksempel, i smartphones.

"En tredimensionel mikroverden giver enorme fordele", siger Legrain. "Udover elektronik, vi kan også miniaturisere tredimensionelle mekaniske objekter fra makroverdenen."

Origami på minimalt niveau

Teknikken, som Legrain beskriver i sin doktorafhandling, kan danne grundlag for en ny tredimensionel produktionsteknik, der undgår den nuværende todimensionelle mikroteknologis begrænsninger. En af de mest elegante måder at skabe tredimensionelle strukturer på, er ved hjælp af foldning. Indbegrebet af denne teknik er Origami, den japanske kunst at folde, som han undersøgte i detaljer. I sin doktorafhandling viser han, at Origami kan anvendes på alle slags niveauer (se figur):fra solpaneler og robotter til nu, derfor, den specielle anvendelse af Origami med en diameter på 200 mikron (0,2 millimeter), på størrelse med et gran salt.

"Selvfølgelig, vi kan ikke folde på mikroskalaen med fingrene, og tricks er påkrævet, " siger Legrain. "Jeg bruger overfladespændingen af ​​væsker til at folde mikrostrukturer. Det gør vi ved at fordampe små dråber vand. Dråberne påføres fleksible strukturer, som følgelig foldes sammen. Hvis vi designer det rigtigt, strukturen forbliver foldet efter fordampningen, fordi delene forbliver klistret sammen. Og så har du lavet en 3D-struktur."

Næste trin:masseproduktion

Legrain beskriver i sin doktorafhandling, at den nemmeste metode til at påføre små dråber er med en sprøjte. "Denne metode er mindre egnet til masseproduktion, imidlertid. Derfor, vi undersøgte, om det er muligt at tvinge dråben gennem en lille kanal på bagsiden af ​​strukturen, der skal foldes. Dette lykkedes, selvom den storstilede foldning af tusindvis af strukturer på samme tid stadig er langt væk. Ved foldning af tredimensionelle strukturer skal vi undgå at folde dem helt flade. Dette kan nemt opnås ved omhyggeligt at vælge foldningsrækkefølgen, eller ved at bruge specielle detaljer."

Elektriske forbindelser

I sin doktorafhandling, Legrain viser forskellige eksempler på sidstnævnte teknik. "Foldede mekaniske strukturer er interessante, men har en begrænset anvendelse. Vi har derfor undersøgt, om vi kan lave elektriske forbindelser til de bevægelige dele. Det er muligt, hvis forbindelserne er godt designet. Til masseproduktion, det er vigtigt, at tusindvis af strukturer kan foldes på samme tid. Ved at nedsænke en beholder med tusindvis af bånd i vand og derefter lade den tørre, det var muligt at folde dem sammen på én gang. Vi tror på, at det er muligt at folde mere komplekse strukturer på samme måde, men dette kræver stadig detaljeret opfølgende forskning. Udsigterne er lovende, imidlertid."