革新的ナノスケール折り畳みロボット：形状記憶アクチュエーターを活用

完全に機能するナノサイズロボットには、電子回路、光起電力素子、センサー、アンテナが必要です。しかし、ロボットが動くには曲がる能力が必要です。研究者たちは、原子レベルで薄い二次元材料を3D構造に自己折り畳みさせるミクロンサイズの形状記憶アクチュエーターを作成しました。必要なのは一瞬の電圧パルスだけです。一度曲がると、電圧を除去しても形状を保持します。

100万個の微小ロボットがウェハーから放出され、自ら形状に折り畳み、這い出し、任務を遂行し、さらに複雑な構造に組み立てられる様子を想像してください。ロボットの形状記憶アクチュエーターは電圧で駆動し、曲がった形状を保持します。

アクチュエーターは1ミクロン未満の曲率半径で曲がれます。電圧駆動アクチュエーターとしては桁違いに高い曲率です。この柔軟性は重要です。微小ロボット製造の基本原則の一つは、ロボットサイズが各付属物をどれだけ小さく折り畳めるかによって決まるからです。曲がりが鋭ければ折り目も小さく、各マシンのフットプリントもより微小になります。また、ロボットがその曲がりを保持できることも重要で、消費電力を最小化します。これは微小ロボットとマシンに特に有利な特徴です。

デバイスは、チタンまたは二酸化チタン膜でキャップされたナノメートル厚の白金層で構成されます。その上に二酸化ケイ素ガラスの硬いパネルがいくつか配置されています。アクチュエーターに正電圧を印加すると、酸素原子が白金内に駆動され、白金原子と場所を入れ替わります。この酸化プロセスにより、不活性ガラスパネル間の継ぎ目で白金が片側膨張し、構造が所定の形状に曲がります。埋め込まれた酸素原子が束になってバリアを形成し、拡散を防ぐため、電圧除去後も形状を保持します。

負電圧を印加すると、酸素原子を除去して白金を元の状態に素早く戻せます。ガラスパネルのパターンや白金が上面か下面に露出しているかを変えることで、山折り谷折りで駆動される多様な折り紙構造を作れます。

微小層は約30原子厚で、約100,000原子厚の紙と比較されます。マシンは100ミリ秒以内に自己折り畳みます。何千回も平坦化と再折り畳みを繰り返せます。わずか1ボルトで動作します。

チームは現在、形状記憶アクチュエーターを回路と統合し、折り畳み脚を持つ歩行ロボットや、うねり前進するシート状ロボットの作成に取り組んでいます。これらの革新は将来的に、人体組織から細菌感染を除去するナノロボット、製造を変革するマイクロファクトリー、現在の10分の1サイズのロボット手術器具につながる可能性があります。

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