SEA折叠成折纸鸭。信用:刘等，Sci。机器人。6，eabe6663 (2021)如果你想建造一个功能齐全的纳米机器人，你需要整合一系列功能，从复杂的电子电路和光伏到传感器和天线。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。
康奈尔大学的研究人员创造了微米级的形状记忆执行器，使原子级薄的二维材料能够折叠成三维形状。他们所需要的只是一个快速的电压波动。一旦材料弯曲，它就能保持其形状——即使在电压被移除之后。
作为示范，该团队创造了可能是世界上最小的自折叠折纸鸟。这不是闹着玩的。
该小组的论文“用于低功率微型机器人的微米级电可编程形状记忆执行器”于3月17日发表在《科学机器人》杂志上，并登上了封面。该论文的主要作者是博士后研究员刘庆坤。
该项目由文理学院的物理学教授伊泰·科恩和物理科学教授约翰·纽曼领导。
康奈尔大学的研究人员创造了微米级的形状记忆执行器，使原子级薄的二维材料能够折叠成三维形状。麦克尤恩说:“我们人类，我们的决定性特征是我们已经学会了如何在人类的尺度上，也在巨大的尺度上构建复杂的系统和机器。“但我们还没有学会如何以微小的规模制造机器。这是人类所能做的基本进化的一步，学习如何建造像细胞一样小的机器。”
迄今为止，麦克尤恩和科恩正在进行的合作已经产生了一大群纳米级机器和组件，每一个看起来都比上一个更快、更智能、更优雅。
“我们希望拥有微观但有大脑的机器人。所以这意味着你需要有由互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管驱动的附属物，基本上是一个机器人上的计算机芯片，侧面有100微米，”科恩说。
想象一下，一百万个人造微型机器人从一个晶片上释放出来，它们将自己折叠成一定的形状，自由爬行并执行任务，甚至组装成更复杂的结构。这就是愿景。
科恩说:“最难的部分是制造能响应互补金属氧化物半导体电路的材料。“这就是青坤和他的同事用这种形状记忆致动器所做的，你可以用电压驱动它，让它保持弯曲的形状。”
陆军资助的研究人员创造了纳米尺寸的机器人，它们可以将自己折叠成3D配置，并可以实现移动、新颖的超材料设计和高保真传感器。学分:康奈尔大学这些致动器可以弯曲小于一微米的曲率半径，这是电压驱动致动器的最高曲率数量级。这种灵活性很重要，因为微型机器人制造的基本原则之一是机器人的尺寸取决于各种附件可以做得多小。弯曲越紧，折叠越小，每台机器的占地面积越小。同样重要的是，这些弯曲可以由机器人保持，这可以最大限度地降低功耗，这对微型机器人和机器尤其有利。
科恩和麦克尤恩称赞刘的化学背景给了这个项目额外的震撼，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。
“在这个小范围内，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合在一起，”刘说。
该装置由一层覆盖有钛或二氧化钛薄膜的铂纳米薄层组成。几块刚性的二氧化硅玻璃面板位于这些层的顶部。当向致动器施加正电压时，氧原子被驱动到铂中，并与铂原子交换位置。这一过程被称为氧化，导致铂在惰性玻璃面板之间的接缝的一侧膨胀，从而将结构弯曲成预定的形状。
即使去掉电压，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屏障，阻止它们扩散出去。
通过向设备施加负电压，研究人员可以移除氧原子，并迅速将铂恢复到其原始状态。通过改变玻璃面板的图案，以及铂是暴露在顶部还是底部，它们可以创造一系列由山沟褶皱驱动的折纸结构。
“有一点非常值得注意，那就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。因此，找出如何让这样的东西具有我们想要的功能是一个巨大的工程挑战，”麦克尤恩说，他是纳米科学和微系统工程(NEXT Nano)特别工作组的联合主席，该工作组是教务长激进合作计划的一部分，并领导康奈尔大学的卡弗利纳米科学研究所。
机器可以在100毫秒内快速折叠。它们也可以将自己展平并重新折叠数千次。它们只需要一个伏特就能启动。
科恩说:“这些是相对于当前最先进设备的重大进步。“我们真的属于自己的班级。”
该团队已经被吉尼斯世界纪录认定创造了最小的步行机器人。现在，他们希望用一种只有60微米宽的新的自折叠折纸鸟来捕捉另一个记录。
该团队目前正致力于将其形状记忆执行器与电路集成，以制造具有可折叠腿的行走机器人以及通过起伏向前移动的片状机器人。科恩说，这些创新有朝一日可能会带来纳米Roomba型机器人，可以清除人体组织中的细菌感染，微型工厂可以改变制造业，机器人手术器械比现有设备小十倍。
但驱动团队的一个同样重要的问题是:为了设计、制造和操作如此规模的机器，需要改变哪些原则？
该团队与合著者大卫·穆勒(塞缪尔·埃克特工程教授)和物理学教授托马斯·阿里亚斯(Stephen H. Weiss总统研究员)合作，对其纳米级结构进行成像，以更好地理解驱动驱动的过程。
合著者包括博士生王巍、迈克尔·雷诺兹和迈克尔·曹14；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。
支持这项研究的美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的一个部门——陆军研究办公室的项目经理迪恩·卡尔弗(Dean Culver)说:“科恩博士和他的团队正在推动一个边界，即我们可以多快、多精确地在微观甚至纳米尺度上控制运动。“除了为纳米机器人铺平道路之外，这项工作带来的科学进步还可以实现智能材料设计以及与分子生物学世界的互动，这可以前所未有地帮助陆军。”
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