Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 26 °C
Gök Gürültülü

Nanotek bilim adamları dünyanın en küçük origami kuşunu yaptı

18.03.2021
119
Nanotek bilim adamları dünyanın en küçük origami kuşunu yaptı

Tamamen işlevsel nano boyutlu bir robot oluşturmak istiyorsanız, karmaşık elektronik devreler ve fotovoltaiklerden sensörlere ve antenlere kadar bir dizi yeteneği birleştirmeniz gerekir.

Ama en önemlisi, robotunuzun hareket etmesini istiyorsanız, bükülebilmesi için ona ihtiyacınız var.

Cornell araştırmacıları, atomik olarak ince iki boyutlu malzemelerin kendilerini 3D konfigürasyonlara katlamalarını sağlayan mikron boyutlu şekil hafızalı aktüatörler yarattılar. Tek ihtiyaçları olan hızlı bir voltaj sarsıntısıdır ve malzeme büküldükten sonra şeklini korur – voltaj kesildikten sonra bile.

Ekip, bir gösteri olarak, potansiyel olarak dünyanın en küçük kendinden katlanan origami kuşunu yaptı ve bu bir şaka değil.

Grubun “Düşük Güçlü Mikro Robotlar için Mikrometre Boyutlu Elektrikle Programlanabilir Şekilli Hafızalı Aktüatörler” başlıklı makalesi 17 Mart’ta Bilim Robotik ve kapakta yer aldı. Makalenin baş yazarı, doktora sonrası araştırmacı Qingkun Liu.

Proje, her ikisi de Sanat ve Bilim Koleji’nde fizik profesörü olan Itai Cohen ve John A. Newman Fizik Bilimi Profesörü Paul McEuen tarafından yönetiliyor.

Cornell araştırmacıları, atomik olarak ince iki boyutlu malzemelerin kendilerini 3B konfigürasyonlara katlamalarını sağlayan mikron boyutlu şekil hafızalı aktüatörler yarattılar.

McEuen, “Biz insanlar, bizim tanımlayıcı özelliğimiz, karmaşık sistemleri ve makineleri insan ölçeğinde ve aynı zamanda muazzam ölçeklerde nasıl inşa edeceğimizi öğrenmemizdir,” dedi. “Ama nasıl yapılacağını öğrenemediğimiz şey, küçük ölçeklerde makineler inşa etmek. Ve bu, hücreler kadar küçük makinelerin nasıl inşa edileceğini öğrenmenin, insanların yapabileceklerinde o temel, temel evrimin bir adımıdır.”

McEuen ve Cohen’in devam eden işbirliği, şimdiye kadar her biri bir öncekinden daha hızlı, daha akıllı ve daha zarif görünen bir dizi nano ölçekli makine ve bileşen oluşturdu.

“Mikroskobik ancak gemide beyinleri olan robotlara sahip olmak istiyoruz. Bu, tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken (CMOS) transistörleri tarafından tahrik edilen uzantılara sahip olmanız gerektiği anlamına gelir, temelde bir robot üzerindeki bir bilgisayar çipi üzerinde 100 mikron olan yan, “dedi Cohen.

Kendilerini şekillendiren, özgürce sürünen ve görevlerini yerine getiren, hatta daha karmaşık yapılara monte edilen bir gofretten çıkan milyonlarca fabrikasyon mikroskobik robot hayal edin. Vizyon bu.

Cohen, “İşin zor kısmı CMOS devrelerine yanıt veren malzemeleri yapmaktır” dedi. “Qingkun ve meslektaşlarının, voltajla sürebileceğiniz ve bükülmüş bir şekil tutmasını sağlayabileceğiniz bu şekil hafızalı aktüatör ile yaptığı şey budur.”

Bu aktüatörler, bir mikrondan daha küçük bir eğrilik yarıçapı ile bükülebilir – bu, herhangi bir voltajla çalışan aktüatörün bir büyüklük sırasına göre en yüksek eğriliği. Bu esneklik önemlidir, çünkü mikroskobik robot üretiminin temel ilkelerinden biri, robot boyutunun, çeşitli eklentilerin ne kadar küçük katlanabileceği ile belirlenmesidir. Bükülmeler ne kadar sıkı olursa, kıvrımlar o kadar küçük olur ve her makinenin kapladığı alan o kadar küçük olur. Özellikle mikroskobik robotlar ve makineler için avantajlı bir özellik olan güç tüketimini en aza indiren bu kıvrımların robot tarafından tutulabilmesi de önemlidir.

Cohen ve McEuen, Liu’nun, malzemenin katlanmasını ve şeklini korumasını sağlayan elektrokimyasal reaksiyonun arkasındaki bilimi açıklığa kavuşturmak için projeye fazladan bir sarsıntı sağlama konusunda Liu’nun kimya geçmişine güveniyor.

Liu, “Bu küçük ölçekte, geleneksel makine mühendisliği gibi değil, daha çok kimya, malzeme bilimi ve makine mühendisliği birbirine karışmış durumda,” dedi.

Cihazlar, titanyum veya titanyum dioksit film ile kapatılmış nanometre ince bir platin tabakasından oluşur. Bu katmanların üzerine birkaç sert silikon dioksit cam panel yerleştirilir. Aktüatörlere pozitif voltaj uygulandığında, oksijen atomları platine sürülür ve platin atomları ile yer değiştirir. Oksidasyon adı verilen bu işlem, platinin, yapıyı önceden belirlenmiş şekline büken inert cam paneller arasındaki ek yerlerinde bir tarafta genişlemesine neden olur.

Makineler, voltaj kaldırıldıktan sonra bile bu şekli koruyabilir, çünkü gömülü oksijen atomları bir bariyer oluşturmak için toplanır ve bu da onların yayılmasını önler.

Araştırmacılar, cihaza negatif voltaj uygulayarak oksijen atomlarını ortadan kaldırabilir ve platini hızlı bir şekilde bozulmamış durumuna döndürebilir. Ve cam panellerin desenini değiştirerek ve platinin üstte mi yoksa altta mı açıkta kalacağını değiştirerek, dağ ve vadi kıvrımları tarafından harekete geçirilen bir dizi origami yapısı oluşturabilirler.

“Oldukça dikkat çekici olan bir şey, bu küçük küçük katmanların, 100.000 atom kalınlığında olabilecek bir kağıt yaprağına kıyasla yalnızca yaklaşık 30 atom kalınlığında olmasıdır. Bu nedenle, böyle bir şeyin nasıl elde edileceğini bulmak muazzam bir mühendislik zorluğudur. Provost’un Radikal İşbirliği girişiminin bir parçası olan Nano Ölçekli Bilim ve Mikrosistem Mühendisliği (NEXT Nano) Görev Gücü’nün eşbaşkanlığını yapan ve Nano Ölçekli Bilim için Cornell’deki Kavli Enstitüsü’nü yöneten McEuen, “istediğimiz türden işlevsellikler” dedi.

Makineler kendilerini 100 milisaniye içinde hızla katlanırlar. Ayrıca kendilerini binlerce kez düzleştirip yeniden katlayabilirler. Ve hayata geçirmek için sadece tek bir volta ihtiyaçları var.

Cohen, “Bunlar mevcut son teknoloji cihazlara göre büyük gelişmelerdir” dedi. “Gerçekten kendi sınıfımızdayız.”

Ekip, en küçük yürüyen robotu yarattığı için Guinness Dünya Rekorları tarafından çoktan takdir edildi. Şimdi, sadece 60 mikron genişliğinde yeni bir kendiliğinden katlanan origami kuşuyla başka bir rekor daha yakalamayı umuyorlar.

Ekip şu anda şekil hafızalı aktüatörlerini devrelerle entegre ederek katlanabilir ayaklı yürüyen robotların yanı sıra ileriye doğru dalgalanan tabaka benzeri robotlar yapmak için çalışıyor. Cohen’e göre, bu yenilikler bir gün insan dokusundan bakteri enfeksiyonunu temizleyebilen nano Roomba tipi robotlara, üretimi dönüştürebilen mikro fabrikalara ve mevcut cihazlardan on kat daha küçük robotik cerrahi aletlere yol açabilir.

Ancak ekibi yönlendiren aynı derecede önemli bir soru şudur: Bu ölçekte makine tasarlamak, üretmek ve çalıştırmak için değişmesi gereken ilkeler nelerdir?

Ekip, nano ölçekli yapılarını görüntülemek için ortak yazarlar David Muller, Samuel B.Eckert Mühendislik Profesörü ve fizik profesörü ve Stephen H. Weiss Başkanlık Üyesi olan Tomas Arias ile harekete geçirme sürecini daha iyi anlamak için çalıştı.

Ortak yazarlar arasında doktora öğrencileri Wei Wang, Michael Reynolds ve Michael Cao ’14; ve şu anda Pennsylvania Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan eski doktora sonrası araştırmacı Marc Miskin.

ABD Ordusu Muharebesinin bir parçası olan Ordu Araştırma Ofisi program yöneticisi Dean Culver, “Dr. Cohen ve ekibi, mikro ve hatta nano ölçeklerde hareketi ne kadar hızlı ve hassas bir şekilde kontrol edebileceğimizin sınırlarını zorluyor” dedi. Araştırmayı destekleyen Yetenek Geliştirme Komutanlığı Ordu Araştırma Laboratuvarı. “Nano robotların önünü açmanın yanı sıra, bu çabadan elde edilen bilimsel gelişmeler, akıllı malzeme tasarımını ve Orduya daha önce hiç olmadığı kadar yardımcı olabilecek moleküler biyolojik dünya ile etkileşimi mümkün kılabilir.”


Daha fazla bilgi:
Qingkun Liu ve diğerleri, düşük güçlü mikro robotlar için mikrometre boyutlu elektriksel olarak programlanabilir şekil hafızalı aktüatörler, Bilim Robotik (2021). DOI: 10.1126 / scirobotics.abe6663

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.