纳米技术科学家创造出世界上最小的折纸鸟

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[size=0.875][tr=transparent]大卫·纳特写的，康奈尔大学

[size=1.125][tr]大海折成了一只折纸鸭。[tr=transparent]作者：Liu等，Sci。[tr]机器人。[tr]6，eabe6663（2021年）

[tr=transparent]如果你想制造一个功能齐全的纳米机器人，你需要整合一系列的功能，从复杂的电子电路和光伏到传感器和天线。

[tr]但同样重要的是，如果你想让你的机器人移动，你需要它能够弯曲。

[tr]康奈尔大学的研究人员已经制造出微米大小的形状记忆执行器，它能使原子薄的二维材料折叠成三维结构。[tr]他们所需要的只是快速的电压冲击。[tr]一旦材料弯曲，即使在电压被移除后，它也能保持其形状。

[tr=transparent]作为示范，研究小组创造了一种可能是世界上最小的自动折叠折纸鸟。[tr]这不是云雀。

[tr]该小组的论文“用于低功耗微型机器人的微米级电可编程形状记忆驱动器”，发表于年3月17日科学机器人学[tr]封面上也有。[tr]论文的主要作者是博士后刘庆坤研究员。

[tr]该项目由文理学院的物理学教授伊泰·科恩和约翰·A·纽曼物理科学教授保罗·麦克尤恩领导。

[tr]康奈尔大学的研究人员已经制造出微米大小的形状记忆执行器，它能使原子薄的二维材料折叠成三维结构。

[tr]“我们人类，我们的决定性特征是，我们已经学会了如何在人的尺度上，以及在巨大的尺度上建造复杂的系统和机器，”麦克尤恩说[tr]但是我们还没有学会如何在小规模上制造机器。[tr]这是人类所能做的基本的、基本的进化的一步，即学习如何建造像细胞一样小的机器。”

[tr]McEuen和Cohen目前的合作已经产生了大量的纳米机器和组件，每一个看起来都比上一个更快、更智能、更优雅。

[tr]“我们想要的机器人是微型的，但上面有大脑。[tr]所以这意味着你需要有由互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管驱动的附件，基本上是一个侧面100微米的机器人上的计算机芯片，”科恩说。

[tr]想象一下，一百万个制造出来的微型机器人从晶圆中释放出来，它们可以折叠成形状，自由爬行，完成任务，甚至可以组装成更复杂的结构。[tr]这就是愿景。

[tr]科恩说：“最困难的部分是制造对CMOS电路有反应的材料。”[tr=transparent]这就是青坤和他的同事们用这种形状记忆驱动器所做的，你可以用电压驱动它，使它保持弯曲的形状。”

[tr=transparent]这些驱动器可以弯曲的曲率半径小于一微米任何电压驱动驱动器的最高曲率一个数量级。[tr=transparent]这种灵活性很重要，因为微型机器人制造的基本原理之一就是机器人的尺寸取决于各种附件的折叠程度。[tr]弯得越紧，折叠越小，每台机器的占地面积就越小。[tr=transparent]同样重要的是，机器人可以控制这些弯板，从而将功耗降至最低，这一特性对于微型机器人和机器来说尤其有利。

[tr=transparent]科恩和麦克尤恩相信刘的化学背景给了这个项目一个额外的冲击，以确定电化学反应背后的科学，使材料能够折叠并保持其形状。

[tr=transparent]刘说：“在这个小规模上，它不像传统的机械工程，而是化学、材料科学和机械工程都混在一起。”。

[tr=transparent]这种装置由一层覆盖着钛或二氧化钛薄膜的铂薄膜组成。[tr]几块坚硬的二氧化硅玻璃板坐落在这些层上。[tr=transparent]当向执行器施加正电压时，氧原子[tr]被推进到铂中，与铂原子交换位置。[tr=transparent]这个过程被称为氧化，导致铂在惰性玻璃板之间的接缝一侧膨胀，从而使结构弯曲成预定的形状。

[tr=transparent]即使在电压被移除后，机器也能保持这种形状，因为嵌入的氧原子聚集在一起形成一个屏障，阻止它们扩散出去。

[tr]通过给装置施加负电压，研究人员可以去除氧原子，并迅速将铂恢复到原始状态。[tr]通过改变玻璃板的图案，以及无论铂金是暴露在顶部还是底部，它们都可以创造出一系列由山脉和山谷褶皱驱动的折纸结构。

[tr]“值得注意的是，这些微小的层只有大约30个原子厚，而一张纸可能有10万个原子厚。[tr]因此，如何使类似的东西具备我们想要的功能，这是一个巨大的工程挑战，”McEuen说，他是纳米科学和微系统工程（NEXT Nano）特别工作组的联合主席，也是教务长激进合作计划的一部分，[tr]并指导康奈尔大学卡夫利研究所进行纳米科学研究。

[tr]机器在100毫秒内迅速折叠起来。[tr]它们还可以将自己压平并重新折叠数千次。[tr]他们只需要一个伏特就可以为生命提供能量。

[tr]科恩说：“这些都是当前最先进设备的重大进步。”[tr]我们真的是一个属于我们自己的班级。”

[tr]该团队已经被吉尼斯世界纪录认定为创造了最小的步行机器人[tr]. [tr]现在，他们希望能用一种只有60微米宽的新型自动折叠折纸鸟来创造另一项纪录。

[tr]该团队目前正致力于将形状记忆执行器与电路集成，以制造出具有可折叠腿的步行机器人，以及通过起伏向前移动的片状机器人。[tr]科恩说，这些创新可能有一天会产生纳米Roomba型机器人，可以清除人体组织中的细菌感染，可以改造制造业的微型工厂，以及比现有设备小10倍的机器人手术器械。

[tr]但推动团队前进的一个同样重要的问题是：为了设计、制造和操作这种规模的机器，需要改变哪些原则？

[tr]该团队与合作者大卫·穆勒（David Muller），塞缪尔·埃克特（Samuel B.Eckert）工程学教授，以及物理学教授、斯蒂芬·韦斯（Stephen H.Weiss）总统研究员托马斯·阿里亚斯（Tomas Arias）合作，以更好地理解驱动驱动驱动力的过程。

[tr]合著者包括博士生王伟、迈克尔·雷诺兹和迈克尔·曹，以及前博士后研究员马克·米斯金，他现在是宾夕法尼亚大学的助理教授。

[tr]“科恩博士和他的团队正在突破我们在微观甚至纳米尺度上控制运动的速度和精确度的界限，”陆军研究办公室的项目经理迪恩·卡尔弗说，该办公室是美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的一个组成部分，负责支持这项研究[tr=rgb(194, 217, 233)]除了为纳米机器人铺平道路外，这一努力的科学进步还可以实现智能材料设计和与分子生物学世界的互动，这将前所未有地帮助军队。”

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