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千纸鹤也能自动折叠？并且比你的发丝直径还小？
这不是想象，而是被中国学者刘清坤联合多位纳米科学家实现的科研成果。近日，世界最小千纸鹤诞生于康奈尔大学团队，相关文章也成为 3 月 17 日 Science Robotics 的封面论文。
图 | Science Robotics 封面（来源：Science Robotics）
这只千纸鹤大小只有几十微米，即使世界上最顶级的折纸大师，也不可能徒手或者用镊子折得这么小。
其中的秘诀正是让千纸鹤 “自我折叠”：只需施加 1V 的电压，在不到一秒时间内，它就会自动从平面折叠成千纸鹤。
图 | 千纸鹤（来源：Science Robotics）
它的意义并非仅仅作为玩具，而是人类在微型机器人建造上迈出的重要一步。
微型机器人建造迎来重要一步
当前，研发波士顿机器狗等大型机器人并不难，但在设计细胞大小的机器人上，业内一直鲜有建树。
微型机器人和大型机器人一样，它得有传感器和通讯接口，还要有作为 “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、具有形状记忆功能的微型驱动器，则是长期悬而未解的难题。
那么，什么是具有形状记忆功能的微型驱动器？
这得先从形状记忆效应说起，在撤去温度、光线、磁场等外部刺激时，一些材料依然能保有临时形状、被刺激后也仍能恢复到原始形状。
当用在机器人和医疗植入物中，这种驱动器即便没有持续供电，也能保持形状。而要想微型驱动器和机器人的 “大脑” 兼容，就必须使用由 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体）晶体管控制的微型驱动器。
此前的同类驱动器，一般使用陶瓷、合金和聚合物等打造，而由标准 CMOS 电路驱动的微米级形状记忆驱动器，很难使用上述材料进行制备。
图 | 形状记忆驱动器的组成、结构和基本操作（来源：Science Robotics）
为此，刘清坤提出了用铂金属薄膜表面电化学氧化还原的方法，制备出一种电控形状记忆驱动器，其厚度仅有约 30 个原子厚，即不到 10 纳米，因此它的弯曲半径也非常小，仅有 500 纳米。
驱动器由两层材料组成：铂和惰性材料（二氧化钛或金属钛），其中铂被后者覆盖着。
当施加高电压时，铂的暴露面会被氧化，这时氧原子会嵌入铂的暴露面中，因此铂的暴露面就会伸长，而另一面的长度不变，整个结构也会因此变弯。
而且，嵌到铂中的氧原子会形成一个壁垒，从而避免扩散出来，即使撤掉电压，依然能保持弯曲形状，这也是形状记忆功能的来源。
反过来，如果施加低电压，铂里面的氧原子就会被 “扫地出门”，此时再把电压撤掉，驱动器依然可保持原状。
概括来说，无论处于铂的氧化态、还是还原态，撤掉电压后，驱动器都可保持固定形状。
图 | 电化学方法制备形状记忆驱动器（来源：Science Robotics）
为什么必须要有电控形状记忆微型驱动器？
刘清坤告诉 DeepTech，要想做一个微纳米机器人，得有作为 “大脑”的控制电路，还得有作为 “手脚” 的驱动器来执行各种任务。
一般来说，微型驱动器有几种基本要求：
[list,
[*,一是必须得小，一般细胞大小为 10 微米左右，因此微型驱动器的弯曲半径最好不到 1 微米，这样才能做出细胞大小的微型机器人；
[*,二是由电来驱动，目前业内有很多微型驱动器，驱动形式也很多，比如光驱动、磁驱动、化学驱动等。使用其他驱动方法，只能通过外界操作来让机器人做动作，这样更像是一个提线木偶。而使用电控驱动法，可让驱动器和集成电路相结合，传感器和控制电路也可放在微型机器人身上，这样它就是一个拥有 “大脑” 的自主系统，既能感知外界环境并作出决定，还能加载 AI 技术让其执行更多任务；
[*,三是速度必须要快，本次研究的微型驱动器不到 100 毫秒就可作出反应；
[*,四是耐用性要好，本次微型驱动器折叠几千次都没问题；
[*,五是能量消耗要低，本次具有形状记忆功能的的微型驱动器可大幅减小微型机器人的能量消耗。
[*,六是制造技术要和半导体工艺兼容，这也是最重要的一点，只有这样才能实现大规模低成本生产。
[/list,而半导体工艺是基于二维的光刻工艺，微型机器是三维机器，如何从二维变为三维？答案正是折纸。
图 | 本次折纸的其他表现形式（来源：Science Robotics）
纸越薄，折痕越小
通常来讲，一个纳米 “铂 - 惰性层” 组成的微型驱动器，只能向一个方向弯曲，当改变纳米铂膜和惰性层的沉积顺序后，微型驱动器就可向另外一个方向弯曲，这正是折纸需要的基本功能 —— 双向折叠。
谈到千纸鹤 “越能弯曲，折痕就越小”，刘清坤举例说，纸张越薄，折的千纸鹤就越小，因为薄纸折痕可以做得非常细。
图 | 基于电化学驱动器的多稳态微型位移平台、折纸、超材料和机械记忆阵列（来源：Science Robotics）
常见的 A4 纸大约有 10 万个原子那么厚，而本次千纸鹤用的 “纸” 只有 30 个原子那么薄，这种纳米 “纸” 的弯曲半径不到一微米，因此可做成几十微米大小的千纸鹤。
为何选择千纸鹤作为表现形式？刘清坤直言 “因为它有趣”，他说当发现这种新型驱动器可用于做折纸时，来自中国的他的第一反应就是做千纸鹤。
虽然论文中也演示了微型力学超材料和微型机器，但是千纸鹤更能激发人的想象力：象征美好祈愿的古老东方千纸鹤，竟能跟现代科学结合起来！
他补充称，该千纸鹤兼具技术和艺术，它由具有传奇色彩的折纸大师 Robert Lang 设计的简化版千纸鹤。Robert 在加州理工学院物理学博士后，曾就职于 NASA，后来辞职专门研究折纸中的科学和艺术。
作为刘清坤的合作者，当 Robert Lang 看到折纸设计能用到微纳米机器人上，其本人表示 “还有比这更酷的事情吗？”
此外，制造成本也很便宜，一个晶圆能做上百万个微型折纸，因此千纸鹤的平均价格不到一分钱。
未来可用于扫除人体内病毒等
想象一下，和我们人类处于相似尺度上的常规机器，比如扫地机器人、工厂里的机械臂、各种汽车和飞行器，它们的重要性已经不言而喻。
而刘清坤的最终目标是做出比人类发丝还要细的机器人，即在微纳米水平上完成复杂而精细的工作。
图 | 当前的常见大型机器人（来源：Science Robotics）
本次千纸鹤也给他未来的目标打开了一扇门，比如做成微型扫地机器人，来扫除人体内的病毒或癌细胞；还可做成微型工厂，来合成和组装纳米材料；更长远来说，还可把微纳米机器人送到火星去改造自然环境，让人类早日实现火星移民。
图 | 显微镜下千纸鹤的折叠（来源：Science Robotics）
不过，相比起这些应用，刘清坤更关心的是微型机器人背后的科学问题。他说，自然界发展出了复杂而智能的生命系统，并由各种微纳米机器协同运作，从而形成了生命和智慧。
而人类还无法做出和天然生命系统中的分子机器相媲美的人工微纳米机器，这说明我们尚未完全了解背后的科学原理，正是这种纯粹的好奇心推动着他不断探索微纳米机器人。
此前，刘清坤所在团队曾有一款世界上最小的行走机器人获得了吉尼斯世界纪录，本次折纸鹤也有望申请世界上最小的千纸鹤。
之所以有这种自信，是因为有形状记忆的微型驱动器拥有世界上最小的弯曲半径，目前尚无其他研究团队能做到如此小的尺寸。
概括来说，这只千纸鹤的折痕是世界上最小的，因此它的整体体积可能也是世界上最小的。
图 | 折痕（来源：Science Robotics）
跨学科背景助力前沿研究
回望多年的科研历程，刘清坤非常享受其中。他说做科研兴趣最重要，从本科到现在几次转换科研方向，都是因为后面的研究方向，能回答之前回答不了的问题。
图 | 刘清坤（来源：受访者）
在电子科技大学读本科期间，他非常痴迷于电子设计，设计过各种嵌入式系统和机器人，还获得了全国大学生电子设计竞赛二等奖。
但是，他并不满足于只用商用芯片来设计各种应用，他想了解材料和器件在纳米尺度上是如何工作的。所以在浙江大学读博士期间，刘清坤研究了各种光电子纳米材料的物理性质。
随着研究的深入，他觉得这些纳米材料其实很 “单调” 。随后，他转入智能材料和软材料研究领域，在科罗拉多大学做博后研究期间，他发明了一款能利用电场调节透明度和颜色的智能窗户。
此外，他还发明了一款透明柔性绝热的薄膜，像手机贴膜一样贴在窗户上，就能防止房内热量透过窗户的散失。基于此，他申请了多项美国专利并授权给一家公司生产。
后来，他又来到康奈尔大学做博后研究，他说此次成果“完美结合了此前的背景”，并表示“还有什么把用微电子技术控制的微型机器人更智能的材料呢？”
而此前他在电子、物理、化学、材料学和微纳制造上的跨学科经历，就像一块块拼图，拼出了今天的“千纸鹤成果”。 |
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发表于 2021-3-29 10:55:03
