黃金做摺痕！密西根大學開發快速驅動微型摺紙機器人實現複雜功能

導讀

到目前為止，微型機器人的動作受限，影響了它們執行任務的能力。將古老的摺紙工藝整合到微型機器人加工方法中，可以彌補這一缺點，產生具有複雜幾何形狀和可編程機械性能的3D系統。常見的微型摺紙系統通常摺疊速度較慢，提供的活動自由度很小。密西根大學最近開發了一種設計，製造和啟動微型機器人的新方法，使摺紙結構能夠實現快速和多自由度的運動，從而實現複雜的功能。

密西根大學的研究人員證明，源自日本的摺紙藝術可以擴展微型機器人的功能。他們提出了一種集成製造-設計-驅動技術——電熱微摺紙晶片。這種技術的獨特之處在於其彈性摺疊可控制，快速且可逆，可以在同一晶片上同時製造具有不同幾何形狀和功能的各種微型摺紙結構。在快速變換形狀的同時，具有多個活動自由度。研究人員基於這種技術開發了好幾種不同形狀的微型摺紙機器人。

來看看這些摺紙機器人：

千紙鶴拍打著翅膀，栩栩如生

摺疊魚尾巴像是在拍打水面

通過組合主動摺疊和被動摺疊模仿山峰和山谷褶皺

一個簡單又防水的摺紙抓取器

電熱微摺紙晶片

上圖展示了電熱微摺紙晶片的製造工藝。製造這種先進的摺疊材料和把大象放進冰箱一樣簡單，只需三步：

1. 首先，矽晶片作為基底，在頂部沉積放置SU-8（0.8 µm）薄膜並進行構圖。

2. 接下來，黃金做的薄膜作為摺痕部分粘合在SU-8薄膜的表面（只選對的，不選貴的），並通過溼蝕刻進行圖案化。

3. 最後，加一層SU-8厚膜（20 µm），並通過光刻對其進行構圖，以形成面板。

黃金不但價格貴，性能也不一般。在這裡，黃金薄膜同時充當控制電路，無源層和電熱加熱器，還起到加固SU-8薄膜的表面的作用，以防止殘餘應力觸發向上彎曲。

順便向大家科普一下SU-8 材料，它是一種常用的環氧基負性光刻膠。研究人員之所以把SU-8和金子薄膜搭配使用，是因為二者的熱膨脹係數相差較大。當向摺痕部分的黃金薄膜施加電流時，產生的焦耳熱使SU-8層的膨脹大於區域加熱時的黃金，從而實現較大的摺疊角度。因此這種摺疊是可控制的且可逆的。

摺疊性能

摺疊性能是摺紙機器人形狀整體性能的關鍵。因此，重要的是要確保摺紙系統中的摺痕能夠有效，迅速而有力地摺疊。電熱微摺紙晶片四個最吸引人的功能有：

• 摺疊角度大。通過施加的電流大小，可控制且可逆地實現大摺疊旋轉（與初始方向形成大於90°摺疊的銳角內角）；

• 不受溫度影響。研究人員分別在1度，23度和49度的環境中測試摺疊性能，證明在溫度不同的大氣環境中運行，不會影響摺疊性能；

• 可以實現快速的彈性摺疊，直至略微超過共振為止。研究人員使用正弦波掃描測試（從1到200 Hz）在三種不同的輸入電壓設置下演示了這種行為 。當頻率較低時，摺疊運動基本上是準靜態的。但是，隨著輸入頻率的增加，響應變得動態。運動範圍逐漸減小直到20–40 Hz，然後在共振頻率處增大到峰值。每秒可完成多達80次運動。

• 重新設定「零電流靜止角」。通過將薄膜SU-8過熱到表現出粘彈塑性材料響應的溫度來實現這種塑料摺疊的狀態，並在此狀態下施加電流以重新編程零電流靜止角。

前三個功能突出了彈性摺疊的良好性能，而最後一個功能使塑料摺疊能夠重新編程微摺紙的形狀。

總結與展望

密西根大學開發的電熱微摺紙系統可以很簡單的通過三道工序完成。與大多數現有的摺紙系統不同，通過將多個功能集成到了一個黃金層中使之具有摺痕的摺疊狀態，無需依靠環境刺激，在溫度範圍為1至49°C的常見大氣環境中實現快速且大的彈性摺疊，還可以通過過熱進行重新編程，這提供了一種生成永久性和塑性摺疊3D幾何形狀的方法。除了具有相對好的摺疊性能外，電熱微型摺紙具有合理的功耗，僅需低電壓輸入。這些系統的增強性能和多功能性可用於創建可控且快速的變形超材料和3D系統，以用於微型機器人，微機電系統，超材料，換能器等。