装上新式纳米级驱动器后，纸鹤只用了 0.1 秒就把自己折叠好

折纸鹤可能是很多人的童年记忆。

▲动态图截自 UP 主：折纸的白叔

现如今，科学家们也设计方案了一种 “纸鹤”。

这类 “纸鹤”的独到之处取决于，无需一秒，它就能根据自折叠的方法展现出一只纸鹤的形状，其尺寸在纳米。

就在最新一期的智能机器人顶刊 Science Robotics（《科学 – 智能机器人》）上，这只奇妙的 “纸鹤”走上了封面图！

2021 年 3 月 17 日，有关科研成果发布于 Science Robotics，名为 Micrometer-sized electrically programmable shape-memory actuators for low-power microrobotics（用以低输出功率微型机器人的μm尺寸可编程控制器形状记忆控制器）。

毕业论文创作者来源于美国康奈尔大学（分子和固体化学实验室、机械设备与航天航空工程学校、运用与工程物理学校、卡弗里纳米技术限度科学研究室）、哥伦比亚大学（电气设备和自动化控制系）。

什么是「纳米形状记忆控制器」？

毕业论文共同编撰的者之一、宾夕法尼亚大学物理专家教授 Paul McEuen 表明：

人们早已学会了怎样修建规模性的复杂系统和设备，但大家都还没学好怎样在小限度上生产制造设备，而这将是人们学习培训修建体细胞级尺寸设备的关键一步。

先来思索一个难题：设计方案一个功能完善的纳米智能机器人，必须添加什么部件进来？

繁杂的电子线路、太阳能发电、感应器、无线天线等当然都不可或缺，但一样关键的是，假如想让这个智能机器人运动起来，它还得学好弯折。

充分考虑这一点，形状记忆控制器（shape memory actuator）将是一大重要。

那麼，什么是形状记忆控制器？

毕业论文详细介绍，其基本原理取决于形状记忆效用，即一些原材料在曝露于外界刺激性（比如溫度、静电场、电磁场或光）时要维持临时性样子并可修复其初始样子的工作能力。

根据这一效用的形状记忆控制器容许智能机器人、诊疗假体等机器设备在沒有不断供电系统的状况下维持样子，这类特点在机器设备不会受到拘束且电力工程比较有限的状况下看起来特别是在有益。

事实上，要想把这类控制器用以纳米智能机器人，理想化状况下须保证以下几个方面：

原材料能在充足长的時间里维持样子（也许是好多个钟头，也许是好多个月）；

由电驱动器；

夹角可弯折到μm限度；

迅速运行；

经久耐用；

根据与当代半导体设备相一致的技术性打造出。

如同毕业论文共同编撰的者之一 Itai Cohen 所言：

大家想打造出一种外部经济智能机器人，但这类智能机器人是有人的大脑的。因此这代表着大家必须由 CMOS（注：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，即相辅相成氢氧化物半导体材料）晶体三极管驱动器的附着物。

怎样打造出「纳米形状记忆控制器」？

尽管先前曾有科学研究精英团队根据高聚物、铝合金和瓷器等打造了形状记忆控制器，但非常大水平上或是难以打造μm级的电子器件形状记忆控制器，尤其是这些由规范电子器件（~1 安培）驱动器的控制器。

根据此，科学家们运用铂金属材料塑料薄膜表层空气氧化的光电催化对策，打造出了具备高回收再利用的电动式操纵形状记忆控制器。

具体来讲，这类控制器的大概构造是：一层 2 纳米技术的钛 / 二氧化钛塑料薄膜上边遮盖着一层薄厚为 7 纳米技术的铂，再上边是几片硬实的二氧化硅夹层玻璃。

特别注意的是，这种细微的塑料薄膜仅有大概 30 个分子厚，而大家在日常生活中普遍的一张纸很有可能就会有 10 万只分子厚。

当正工作电压被运用到控制器时，氧分子被驱动器到铂，和铂分子互换部位——这一全过程就称为空气氧化，它促使铂在可塑性玻璃中间的间隙中澎涨，使构造弯折成预订样子。即便 工作电压清除，这类样子也将维持，由于置入的氧分子会集聚起來，产生一个天然屏障，避免 铂分子外扩散出来。

而当负工作电压被运用到控制器时，科学家们就可以清除氧分子，并快速将铂修复到初始情况。根据更改夹层玻璃控制面板的图案设计，不管铂位在顶端或是底端，都能够造成出一系列变形。

下面的图是光电催化全过程平面图。

实际到特性，控制器可做到亚微米的夹角（如下图所显示）。

除此之外，其特性还取决于可快速响应（100 ms运作）、低压、可重新构建。

但是这种特性有什么关键实际意义呢？

宾夕法尼亚大学官方网表明：

致动器的夹角小于一μm，它的折射率在一切工作电压驱动器致动器上都是最大量级。这类协调能力很重要，由于微型机器人生产制造的基本准则之一便是，其尺寸在于各种各样配件可被伸缩成的尺寸。越能弯折，皱褶就越小，智能机器人的占地就越小。值得一提的是，这也确保功能损耗会降至最少，这一特性对微型机器人特别是在有益。

世界上最小的自折叠纸鹤

这类纳米形状记忆控制器的实际效果怎样呢？

毕业论文表明，拥有这类控制器，分子薄厚的二维材料能被伸缩成三维构造——如上所显示，这一全过程中科学家们只需开展迅速工作电压基因突变，就算工作电压被清除，遭受弯折的原材料也可以维持其样子。

我们可以那样想像：一百万个微型机器人从圆晶中被释放出，他们能够自身伸缩成形，随意挪动达到目标，乃至还能拼装视觉效果上更加繁杂的构造。

根据所述科学研究，科学家们干了一个演试——打造出了一只宽为 60 μm的千纸鹤。

据统计，该精英团队曾因一款走动智能机器人得到了吉尼斯纪录的认同，现如今她们期待用这个也许是世界上最小的千纸鹤来试着造就另一项纪录。

如同科学研究精英团队表明：这是当今最技术设备的一次重特大发展。