Science子刊封面：中国学者联合造出世界最小千纸鹤，大小几十微米，仅需100毫秒自动折叠!
折纸鹤是很多人儿的回忆，用不同的彩纸叠出各式各样的千纸鹤，可以说是当时小姐妹们最喜欢做的事情之一。
当时还有个传说称“只要折够一千只纸鹤，愿望就能成真”，折一千只纸鹤？光是想想手都酸了。
也许有一天，纸鹤也能自动折叠？
最近，一只神奇的纸鹤登上了《Science Robotics》的封面，它能在100毫秒内自动折叠，并且大小只有几十微米，比头发丝的直径还小！被称为“世界上最小的纸鹤”。
这只纸鹤来头可不小，它诞生于康奈尔大学，是由中国学者刘清坤联合多位来自原子纳米、机械、物理和电气工程等领域的科学家研发的。
▍“世界上最小的纳米级纸鹤”——形状记忆功能的微型驱动器
这支纸鹤可不是个玩具，它是一个微型机器人，或者说得更学术些——一个具有形状记忆功能的微型驱动器。
要制作一个自主运动的微型机器人，那么它需要一个类似计算机CPU的“大脑”，这时，互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管发挥了作用，该晶体管可以作为机器人上的计算机芯片，其侧面为100微米。
那什么是形状记忆功能呢？
我们之前介绍过形状记忆合金，和它类似，就是在温度、光线、磁场等外部刺激下，一些材料能被激活成一定形状、撤去外部刺激后仍能恢复到原始形状。
普通的形状记忆材料很容易制备，但要响应CMOS晶体的控制，还要实现纳米级别，这就很困难了。
中国学者刘清坤想出了一个办法，他提出用铂金属薄膜表面电化学氧化还原的方法，制备出了一种特殊的电控形状记忆驱动器：驱动器由覆盖着二氧化钛薄膜的铂组成。
该方法的驱动过程如下：
当施加正电压时，氧原子被驱入材料中与铂原子交换位置，这样铂的暴露面就会伸长，而另一面的长度不变，整个结构会弯曲成预定形状，这个过程称为氧化。
去除电压后，驱动器依然能保持这种形状，因为嵌入的氧原子会聚在一起形成势垒，从而阻止它们扩散出去。
当施加负电压时，铂里面的氧原子就会离开，迅速还原为原始状态。
这样一来，通过改变材料的图案，可以创建一系列折纸结构，这些驱动器的厚度仅有约30个原子厚（相比之下一张纸的厚度是10000个原子），还不到 10 纳米，因此驱动器弯曲时的弯曲半径也非常小，仅有500纳米。
机器人可以在100毫秒内快速折叠。它们还可以展平并重新折叠数千次。他们只需要一个电压就可以为其供电。
康奈尔大学的这支研究团队已经不是第一次研发出纳米级机器人了，之前他们制作的最小步行机器人还获得了吉尼斯世界纪录。
这只纳米级自折叠纸鹤将是下一任吉尼斯世界记录的新得主！
▍解决微型机器人悬而未决的难题
为什么要研发这么小的自折叠纸鹤？
它的意义并非仅仅作为玩具，人类已经建造很多大规模的复杂系统和机器人，而微型机器人的应用前景更值得期待，它们可以在血管中游泳，可用来输送药物，甚至是修复损伤细胞。
然而，构造像细胞一样小的微型机器人是个很复杂的问题，微型机器人和大型机器人一样，它得有传感器和通讯接口，还要计算机CPU等作为 “大脑”的控制电路。依靠成熟的半导体工艺，工程师们可轻易设计和制造以上元件，而适用于微型机器人的是长期悬而未决的难题。
有了纳米级纸鹤这种驱动器，原子厚度的二维材料能被折叠成三维结构，这一过程中科学家们只需进行快速电压突变，即便电压被移除，受到弯曲的材料也能保持其形状。
甚至可以想象：一百万个制造的微型机器人从晶圆上松开后会折叠成预定形状，自由爬行并完成其任务，甚至组装成更复杂的结构。
【参考链接】
https://robotics-sciencemag-org.deickgc.top/content/6/52/eabe6663
https://news.cornell.edu/stories/2021/03/self-folding-nanotech-creates-worlds-smallest-origami-bird
https://youtu.be/nNn4Lpd4uBM