黄金做折痕！密歇根大学开发快速驱动「微型折纸机器人」实现复杂功能

导读

到目前为止，微型机器人的动作受限，影响了它们执行任务的能力。将古老的折纸工艺整合到微型机器人加工方法中，可以弥补这一缺点，产生具有复杂几何形状和可编程机械性能的3D系统。常见的微型折纸系统通常折叠速度较慢，提供的活动自由度很小。密歇根大学最近开发了一种设计，制造和启动微型机器人的新方法，使折纸结构能够实现快速和多自由度的运动，从而实现复杂的功能。

密歇根大学的研究人员证明，源自日本的折纸艺术可以扩展微型机器人的功能。他们提出了一种集成制造-设计-驱动技术——电热微折纸晶片。这种技术的独特之处在于其弹性折叠可控制，快速且可逆，可以在同一晶片上同时制造具有不同几何形状和功能的各种微型折纸结构。在快速变换形状的同时，具有多个活动自由度。研究人员基于这种技术开发了好几种不同形状的微型折纸机器人。

来看看这些折纸机器人：

千纸鹤拍打着翅膀，栩栩如生

折叠鱼尾巴像是在拍打水面

通过组合主动折叠和被动折叠模仿山峰和山谷褶皱

一个简单又防水的折纸抓取器

电热微折纸晶片

上图展示了电热微折纸晶片的制造工艺。制造这种先进的折叠材料和把大象放进冰箱一样简单，只需三步：

1. 首先，硅晶片作为基底，在顶部沉积放置SU-8（0.8 µm）薄膜并进行构图。

2. 接下来，黄金做的薄膜作为折痕部分粘合在SU-8薄膜的表面（只选对的，不选贵的），并通过湿蚀刻进行图案化。

3. 最后，加一层SU-8厚膜（20 µm），并通过光刻对其进行构图，以形成面板。

黄金不但价格贵，性能也不一般。在这里，黄金薄膜同时充当控制电路，无源层和电热加热器，还起到加固SU-8薄膜的表面的作用，以防止残余应力触发向上弯曲。

顺便向大家科普一下SU-8 材料，它是一种常用的环氧基负性光刻胶。研究人员之所以把SU-8和金子薄膜搭配使用，是因为二者的热膨胀系数相差较大。当向折痕部分的黄金薄膜施加电流时，产生的焦耳热使SU-8层的膨胀大于区域加热时的黄金，从而实现较大的折叠角度。因此这种折叠是可控制的且可逆的。

折叠性能

折叠性能是折纸机器人形状整体性能的关键。因此，重要的是要确保折纸系统中的折痕能够有效，迅速而有力地折叠。电热微折纸晶片四个最吸引人的功能有：

• 折叠角度大。通过施加的电流大小，可控制且可逆地实现大折叠旋转（与初始方向形成大于90°折叠的锐角内角）；

• 不受温度影响。研究人员分别在1度，23度和49度的环境中测试折叠性能，证明在温度不同的大气环境中运行，不会影响折叠性能；

• 可以实现快速的弹性折叠，直至略微超过共振为止。研究人员使用正弦波扫描测试（从1到200 Hz）在三种不同的输入电压设置下演示了这种行为 。当频率较低时，折叠运动基本上是准静态的。但是，随着输入频率的增加，响应变得动态。运动范围逐渐减小直到20–40 Hz，然后在共振频率处增大到峰值。每秒可完成多达80次运动。

• 重新设定“零电流静止角”。通过将薄膜SU-8过热到表现出粘弹塑性材料响应的温度来实现这种塑料折叠的状态，并在此状态下施加电流以重新编程零电流静止角。

前三个功能突出了弹性折叠的良好性能，而最后一个功能使塑料折叠能够重新编程微折纸的形状。

总结与展望

密歇根大学开发的电热微折纸系统可以很简单的通过三道工序完成。与大多数现有的折纸系统不同，通过将多个功能集成到了一个黄金层中使之具有折痕的折叠状态，无需依靠环境刺激，在温度范围为1至49°C的常见大气环境中实现快速且大的弹性折叠，还可以通过过热进行重新编程，这提供了一种生成永久性和塑性折叠3D几何形状的方法。除了具有相对好的折叠性能外，电热微型折纸具有合理的功耗，仅需低电压输入。这些系统的增强性能和多功能性可用于创建可控且快速的变形超材料和3D系统，以用于微型机器人，微机电系统，超材料，换能器等。

论文直通车

密歇根大学可部署和可重构结构实验室：

https://drsl.engin.umich.edu/

论文：

Zhu, Y., Birla, M., Oldham, K. R., Filipov, E. T., Elastically and PlasticallyFoldable Electrothermal Micro‐Origami for Controllable and RapidShape Morphing. Adv. Funct. Mater. 2020, 2003741.

https://doi.org/10.1002/adfm.202003741

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