«Мы создали микробиморфную двойную катушку, которая функционирует как мощная скручивающая мышца, управляемая термически или электро-термически за счет фазового перехода диоксида ванадия», — говорит руководитель этой работы, Юнцяо Ву, физик, который проводит совместные приемы. с отделом материаловедения лаборатории Беркли и отделом материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. «Используя простую конструкцию и неорганические материалы, мы достигаем превосходных характеристик по удельной мощности и скорости по сравнению с двигателями и исполнительными механизмами, которые сейчас используются в интегрированных микросистемах».Ву является автором статьи, описывающей это исследование, в журнале Advanced Materials.
Статья озаглавлена «Мощные, многофункциональные торсионные микромышцы, активируемые фазовым переходом». Соавторами являются Кай Лю, Чун Ченг, Джунки Су, Роберт Тан-Конг, Дей Фу, Сангук Ли, Цзянь Чжоу и Леон Чуа.
Что делает диоксид ванадия столь востребованным в электронной промышленности, так это то, что это один из немногих известных материалов, который изолирует при низких температурах, но внезапно становится проводником при 67 градусах Цельсия. Ожидается, что этот обусловленный температурой фазовый переход от изолятора к металлу в один прекрасный день приведет к более быстрым и энергоэффективным электронным и оптическим устройствам. Однако кристаллы диоксида ванадия также претерпевают обусловленный температурой структурный фазовый переход, в результате чего при нагревании они быстро сжимаются по одному измерению, расширяясь по двум другим. Это делает диоксид ванадия идеальным материалом-кандидатом для создания миниатюрных многофункциональных двигателей и искусственных мышц.
«Миниатюрные роторные двигатели важны для интегрированных микросистем и интенсивно развиваются в течение последних десятилетий», — говорит Ву. «Плотность мощности нашей микромышцы в сочетании с ее многофункциональностью отличает ее от всех современных макро- или микрокрутильных актуаторов / двигателей».Ву и его коллеги изготовили свои микромышцы на кремниевой подложке из длинной «V-образной» биморфной ленты, состоящей из хрома и диоксида ванадия. Когда V-образная лента отделяется от подложки, она образует спираль, состоящую из двойной катушки, соединенной с обоих концов с контактными площадками хромового электрода.
Нагревание двойной катушки приводит в действие ее, превращая ее либо в микрокатапульту, в которой объект, удерживаемый в катушке, бросается при срабатывании катушки, либо в датчик приближения, в котором дистанционное зондирование объекта (то есть без прикосновения к нему) ) вызывает «микровзрыв», быстрое изменение сопротивления и формы микромышцы, которое отталкивает объект.«Множественные микромышцы могут быть собраны в микророботизированную систему, имитирующую активную нервно-мышечную систему», — говорит Ву. «Естественно объединенные функции определения приближения и крутильного движения позволяют устройству дистанционно обнаруживать цель и реагировать, изменяя свою форму.
Это имитирует живые тела, в которых нейроны воспринимают и доставляют стимулы к мышцам, а мышцы обеспечивают движение».Микромышцы из диоксида ванадия продемонстрировали обратимое крутильное движение в течение одного миллиона циклов без деградации.
Они также показали скорость вращения примерно до 200 000 об / мин, амплитуду от 500 до 2 000 градусов на миллиметр в длину и удельную мощность энергии примерно до 39 киловатт / килограмм.«Все эти показатели на порядок выше, чем у существующих торсионных двигателей, основанных на электростатике, магнетизме, углеродных нанотрубках или пьезоэлектриках», — говорит Ву.Нагревание микромышцы из диоксида ванадия для приведения в действие может происходить либо глобально с помощью крошечной грелки, либо с помощью электрического тока, подаваемого на двойную катушку. Ву говорит, что нагревание электрическим током — лучший способ, потому что он позволяет избирательно нагревать отдельные микромышцы, а процесс нагрева и охлаждения происходит намного быстрее.
Кроме того, поскольку диоксид ванадия поглощает свет и превращает его в тепло, катушка также может срабатывать оптотермически.«Благодаря сочетанию мощности и многофункциональности, наши микромышцы демонстрируют большой потенциал для приложений, требующих интеграции высокого уровня функциональности в небольшом пространстве», — говорит Ву.
Эта работа была поддержана премией Министерства энергетики США за раннюю карьеру Калифорнийского университета в Беркли.