Revolutionäre nanoskalenfaltbare Roboter: Nutzung von Formgedächtnis-Aktuatoren

Ein voll funktionsfähiger nanoskaliger Roboter erfordert elektronische Schaltkreise, Photovoltaik, Sensoren und Antennen. Aber wenn der Roboter sich bewegen muss, muss er sich biegen können. Forscher haben mikrongroße Formgedächtnis-Aktuatoren geschaffen, die atomar dünne zweidimensionale Materialien in 3D-Konfigurationen selbst falten lassen. Alles, was sie benötigen, ist ein schneller Spannungsimpuls. Und einmal gebogen, behält das Material seine Form auch nach Entfernen der Spannung bei.

Stellen Sie sich eine Million fabrizierter mikroskopischer Roboter vor, die von einem Wafer freigesetzt werden, sich selbst in Form falten, freikriechen und ihre Aufgaben erledigen, sich sogar zu komplexeren Strukturen zusammensetzen. Die Formgedächtnis-Aktuatoren der Roboter können mit Spannung angetrieben werden und eine gebogene Form halten.

Die Aktuatoren können mit einem Krümmungsradius kleiner als ein Mikrometer biegen – die höchsten Krümmungen eines spannungsgetriebenen Aktuators um eine Größenordnung. Diese Flexibilität ist wichtig, weil eines der Grundprinzipien der mikroskopischen Roboterfertigung ist, dass die Robotergröße davon bestimmt wird, wie klein die verschiedenen Anhängsel gefaltet werden können. Je enger die Biegungen, desto kleiner die Faltungen und desto winziger der Fußabdruck jeder Maschine. Es ist auch wichtig, dass diese Biegungen vom Roboter gehalten werden können, was den Stromverbrauch minimiert – ein Merkmal, das besonders für mikroskopische Roboter und Maschinen vorteilhaft ist.

Die Geräte bestehen aus einer nanometerdünnen Platinschicht, die mit einer Titan- oder Titandioxidschicht gekappt ist. Mehrere starre Platten aus Siliziumdioxidglas sitzen auf diesen Schichten. Wenn eine positive Spannung an die Aktuatoren angelegt wird, werden Sauerstoffatome in das Platin getrieben und tauschen Plätze mit Platinatomen. Dieser Prozess, Oxidation genannt, bewirkt, dass sich das Platin auf einer Seite in den Nähten zwischen den inerten Glasplatten ausdehnt, was die Struktur in ihre vorgegebene Form biegt. Die Maschinen können diese Form auch nach Entfernen der Spannung halten, weil die eingebetteten Sauerstoffatome sich zusammenballen, um eine Barriere zu bilden, die ihre Diffusion verhindert.

Durch Anlegen einer negativen Spannung an das Gerät können die Forscher die Sauerstoffatome entfernen und das Platin schnell in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzen. Und durch Variation des Musters der Glasplatten – und ob das Platin oben oder unten exponiert ist – können sie eine Reihe von Origami-Strukturen erzeugen, die durch Berg- und Talfaltungen betätigt werden.

Die winzigen Schichten sind etwa 30 Atome dick, verglichen mit einem Blatt Papier, das vielleicht 100.000 Atome dick sein könnte. Die Maschinen falten sich selbst innerhalb von 100 Millisekunden. Sie können sich auch tausende Male flachlegen und neu falten. Und sie benötigen nur ein einzelnes Volt, um zum Leben erweckt zu werden.

Das Team arbeitet derzeit daran, die Formgedächtnis-Aktuatoren mit Schaltkreisen zu integrieren, um Laufroboter mit faltbaren Beinen sowie blattartige Roboter zu schaffen, die sich durch Vorwärtsbewegen wellenförmig fortbewegen. Diese Innovationen könnten eines Tages zu Nanorobotern führen, die bakterielle Infektionen aus menschlichem Gewebe reinigen, Mikrofabriken, die die Fertigung transformieren, und robotische chirurgische Instrumente, die zehnmal kleiner sind als aktuelle Geräte.