СОЗДАНИЕ СВЕРХ-МИНИАТЮРНЫХ ДАТЧИКОВ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ

Приведем примеры создания сверхминиатюрных преобразователей физических величин и перспективных систем, в которых они могут быть применены.

Сейчас учёные работают над созданием мониторинга состояния здоровья ребенка, т.е. над гибкими микродатчиками,миниатюрными устройствами, достаточно податливыми, чтобы их можно было вшить в обычные предметы одежды.

Исследователи назвали свой проект "интеллектуальная кожа" и уже продемонстрировали прототип для мониторинга инфракрасного излучения, который может следить за изменениями температуры тела. В скором будущем они надеются получить устройства, реагирующие на разнообразные другие стимулы. Исследователи планируют повторить способность кожи, построив микроустройства, которые реагируют на прикосновение и давление. Также учёные считают, что в будущем удастся построить датчики для мониторинга изменений в потоке воздуха, которые предупредят, например, об открытом окне или утечке газа.

Основа прототипа - гибкая полимерная подложка, которая выдерживает температуру до 400°С. Чем выше температура, тем проще нанести чувствительный материал на подложку. В данном случае микродатчики изготавливаются из оксида иттрия, бария и меди, материала, чувствительного к инфракрасному излучению. Вшитые в форму солдата, они могут обнаруживать токсичные химические вещества или бактерии, переносимые по воздуху. Датчики, имплантированные непосредственно под кожу диабетику, будут контролировать уровень инсулина и глюкозы.

Исследователи разрабатывают вживляемые в тело датчики для послеоперационного наблюдения за пациентами. Например, после вмешательства по поводу аневризмы аорты врачам важно иметь представление о давлении в ней крови, для чего пациенту приходится каждые 3-6 месяцев проходить компьютерную томографию. Однако это исследование достаточно дорого и не всегда информативно, в то время как датчик, измеряющий давление крови напрямую, мог бы оказаться незаменимым. Информацию с него можно считывать небольшим ручным прибором, причем это может делать как врач во время регулярных осмотров, так и сам пациент-дома. Микродатчики успешно прошли испытание на здоровой собаке. Теперь авторы методики собираются проверить их действие на собаке с аневризмой, а потом и на добровольцах. В перспективе прибор можно будет использовать для измерения других параметров, например уровня сахара в крови.

 

Миниатюрные роботы, снабженные датчиками или иными дополнительными устройствами, находят все большее применение во многих отраслях промышленности, здравоохранении, в военных целях, поэтому в разных странах уделяется огромное внимание разработке таких устройств. Для передвижения микророботов применяются различные микродвигатели - пьезоэлектрические, электромеханические, электромагнитные. Пьезомотор состоит из тонких керамических пластин, которые изгибаются при подаче питания и возвращаются к первоначальной форме при его отключении. Пьезомотор весьма эффективен, свыше 90% электроэнергии он преобразует в механическую. “Мозгом” робота, как правило, является специальная микросхема, управляющая подачей напряжения на пьезокристаллы и считывающая показания многочисленных датчиков, установленных на его теле. Микродатчики предназначены для получения информации о параметрах их собственного движения и таких параметрах внешней среды, как давление, температура, визуальная информация, информация о состоянии исследуемых ими объектов. Энергии батарейки достаточно для прохождения микророботом нескольких сот метров.

Такой источник питания приводит в движение насекомоподобный робот величиной 2-3 см. Он предназначен для военных и разведывательных целей, но может выполнять и мирные задачи, передвигаясь в трубах и вентиляционных шахтах. Созданы микророботы, способные передвигаться в токопроводящих жидкостях и кровеносных сосудах благодаря покрытию полупроводниковой “начинки” тонким слоем полимера - полипиррола. В противном случае незащищенные кремниевые микророботы при работе в жидкостях быстро выходят из строя. Детали, выполненные из полипиррола, способны сокращаться подобно мускулам при прохождении через них электрического тока. Это свойство использовано в манипуляторе робота, который, действуя наподобие человеческой руки микроскопических размеров, может работать с отдельными клетками. Оборудованный сенсорным блоком микроробот превращается в микролабораторию, самостоятельно путешествующую и проводящую анализы внутри живого организма. Такие микророботы предназначены прежде всего для медицины, где они могут сыграть роль хирургического инструмента для бескровных операций, в ходе которых действует целая группа роботов сообща, на клеточном уровне.

Среди созданных микророботов следует отметить полимерные роботы размером в десятитысячные доли метра, научившиеся действовать в организме человека, захватывая отдельные клетки и бактерии. Также разработан аппарат тоньше человеческого волоса, в котором в качестве двигателя установлен микромускул крысы. Его можно применять в самых разных областях - от помощи парализованным людям в самостоятельном дыхании до ремонта обшивки космических станций, поврежденных микрометеоритами. Передвигается это устройство со скоростью 40 мкм/с.

Непростой задачей считается организация группового поведения минироботов с ограниченными вычислительными ресурсами. Ученые отрабатывают способы управления роботами, каждый из которых умещается в десятках кубических сантиметров и при этом оборудован видеокамерой и датчиками движения. Также изучаются всевозможные адаптивные подходы к организации движения: конечности-манипуляторы перенастраиваемых аппаратов снабжаются легко заменяемыми элементами, одни из которых позволяют ездить по горизонтальной поверхности, другие дают возможность лазать по стене.

Ведутся исследования с взаимодействием десятков мобильных микророботов. Микророботы умеют позиционироваться с точностью до 1 мкм и развивать скорость в несколько миллиметров в секунду. При этом каждый из них оснащен высококачественной CMOS-видеокамерой, устройством беспроводной связи и даже обладает навыками распознавания окружающего пространства. В качестве источника энергии предполагается задействовать внешний сигнал. Роботы должны будут заниматься пространственной сборкой микромеханических элементов и высокоточной обработкой живых клеток при дистанционном управлении с центральной системы.

Разрабатывается рой маленьких роботов, которые способны находить источники химических и биологических опасностей и тем самым спасать жизни людей. Команда состоит из небольших роботов, которые взаимодействуют друг с другом, собирают и передают информацию людям. Исследователи этого проекта считают, что нашли оптимальное решение, каждый робот будет оснащен датчиком для обнаружения химического или биологического агента, а также анемометром для определения скорости и направления ветра. По словам авторов проекта, эти микророботы уникальны потому, что будут запрограммированы на базе теорий, основанных на гидрогазодинамике.

Минироботы, имитирующие организованное поведение насекомых в рое, состоят из 120 роботов. Они будут оснащены программой “роевого интеллекта”, которая позволит им организованно производить некоторые сложные операции, следуя набору достаточно простых установок и правил. Современные Компании специализируются на создании программ, которые имитируют поведение живых существ. Способ организации действий отдельных особей в рое, который предполагает использовать для военных роботов, сродни тому способу поведения, которого придерживаются муравьи. Проект имеет целью создание программных средств, которые обеспечат эффективные действия групп и из 10 роботов, и из 10 000 “электронных разведчиков”.

Были разработаны роботы-мячи, или планетарные микророботы. Эти роботы создаются для исследования пещер. Они имеют небольшие размеры - как у мячиков для настольного тенниса или бейсбола. С задачей обследования разветвленных подземных ходов может справиться армия маленьких роботов, для которой потеря одной-другой машины не имеет существенного значения. Для интенсивного и длительного движения микророботов в качестве питания выступают топливные элементы.

Эти роботы нескольких типов. Некоторые оснащены панорамными камерами, другие - химическими сенсорами, третьи - микроскопическими биологическими анализаторами, четвертые - микротелекамерами, способными показывать породу при большом увеличении. Один такой робот не сможет собрать достаточно информации, но большая их масса, заполнившая некое пространство, даст в сумме много ценных знаний об участке.

Разработан оригинальный шагающий робот. Он представляет собой пьезокерамическую MEMS-треногу, которая передвигается с небольшой скоростью -20 см/с, однако уникален сам принцип его передвижения. Этот робот способен нести 240 г полезной нагрузки, совершает 4 тыс. микропрыжков по 50 мкм каждый. Задача робота - выполнять позиционирование различных устройств с точностью до отдельных молекул или даже атомов. Он упростит выполнение тонких операций на клетках и задачи трехмерной микросборки, повысит эффективность электронных микроскопов и т.п.

Учёными разработан робот, который вырабатывает энергию для своей “жизни” из органики. Исследователи не первый год работают над различными проектами машин, способных получать энергию из природы. Это могут быть не только солнечные батареи, но и “питание”. Авторы полагают, что “питание” - это путь к созданию миниатюрных роботов, которые будут автономно и подолгу работать на местности, передавая по радио данные о загрязнении окружающей среды, в том числе в местах, опасных для человека. Чтобы реализовать принцип “отправил и забыл”, роботы должны находить питание сами. Для этого ученые решили использовать микробные топливные элементы. Эти устройства разлагают органику и благодаря взаимодействию определенных бактерий и химикатов в растворе, а также подобранным материалам электродов с участием кислорода воздуха вырабатывают электричество. Цепочки реакций в таких элементах идут с отдачей электронов определенными ионами, которые попадают к другим атомам только после пробега по внешней электрической цепи. Именно эта цепь и отличает работу элементов от процессов питания и дыхания в животном мире. Конкретные химические реакции (окислительно-восстановительные) могут быть различными.

 

Уменьшение габаритов функциональных мехатронных роботов

Миниатюризация мобильных и манипуляционных робототехнических систем является одним из важных перспективных направлений разработки средств современной техники в интересах ведущих отраслей промышленности. Развитие определяющих научно-технический прогресс отраслей промышленности, таких как энергетика, в том числе атомная энергетика, промышленное оборудование газонефтедобывающих и перерабатывающих отраслей, машиностроение, медицинская техника, биотехнология, связано с повышением производительности и качества конечного продукта, что ведет к усложнению технологических процессов производства и их автоматизации. Создание автоматических и роботизированных систем с новыми свойствами невозможно без миниатюризации роботов как одних из средств автоматизации. Поэтому можно считать, что миниатюризация технических средств автоматизации актуальна и совершенно необходима.

Современные тенденции миниатюризации робототехнических систем развиваются по следующим направлениям:

1.уменьшение габаритов функциональных мехатронных модулей до микро-и наноразмеров;

2.применение имеющихся и разработка новых наноматериалов с заданными механическими и прочностными свойствами;

3.совмещение нескольких функциональных операций в связи с технологическими возможностями для уменьшения геометрических размеров механических систем, габаритов кристаллов и плотности;

4.развитие мехатронного подхода к созданию роботов;

5.все более широкое использование процессов биотехнологий и биомеханики для создания миниатюрных роботов;

6.использование явлений на молекулярном и клеточном уровнях для достижения сверхминиатюризации систем робототехники.

Миниатюризация мобильных роботов для движения в ограниченных пространствах, включая движение внутри труб малых диаметров, является одной из тенденций развития современной робототехники. Стремление к микро- и наноразмерным роботам привело к созданию капсульных роботов, предназначенных для технической и медицинской диагностики. Капсульные роботы могут перемещаться пассивно для выполнения задач медицинской диагностики желудочно-кишечного тракта или иметь собственные системы миниатюрных приводов электромагнитного, электромеханического, пьезоэлектрического принципов действия для движения внутри труб малых диаметров и решения задач технической диагностики.

Рассматриваются основные зависимости между параметрами движения миниатюрных многозвенных роботов с электромагнитными движителями. Для дальнейшей миниатюризации, усовершенствования алгоритмов управления и развития методов проектирования появилась необходимость в исследовании взаимодействия параметров управляемых движений при действии системы сил, включая внешние силовые возмущения.

Анализируются пути и методы миниатюризации транспортной, механической, сенсорной систем миниатюрного электромагнитного робота.

Поскольку в мехатронных модулях связи различной природы - механические, электрические, информационные, пневматические - синергетически соединены в едином конструктиве, их миниатюризация как единого целого зависит от миниатюризации всех отдельных блоков, т.е. должны быть минимальными габариты всех блоков.

В последние несколько лет заметно возрос интерес к традиционным технологиям, модернизированным для решения задач микросистемной техники. В первую очередь, к таким технологиям относится прецизионная электроискровая обработка материалов, которая позволяет изготавливать, например, профильные постоянные микромагниты из редкоземельных сплавов. Использование таких традиционных технологий в совокупности с новейшими технологиями изготовления объемных твердотельных микроструктур (LIGA-технология, стекловолоконная технология) на сегодняшний день является мощным инструментом при создании сложных микромашин. Именно такой подход описан в работе. В этой работе прецизионный электромагнитный микропривод вращения исследуемого образца под микроскопом содержит три однослойные катушки по 10 витков в каждой, которые расположены параллельно друг другу на расстоянии ~ 100 мкм. Катушки намотаны проводом диаметром 25 мкм на ферромагнитные стержни и образуют трехфазную обмотку.

Следует отметить, что для катушек с внешним диаметром ~ 1 мм намотка обеспечивает несравненно большее количество витков, чем известные микротехнологии. Таким образом, в зависимости от геометрических размеров конструкция обмотки тягового реле определяется способом ее изготовления.

На рисунке внизу схема микродвигателя для бесконтактного вращения жидких образцов под микроскопом.

В настоящее время в мире наметился путь создания микроустройств, передвигающихся по поверхности или перемещающих предметы с помощью большого количества ног, приводимых в асинхронное движение различными устройствами. Поступательное движение платформы с грузом, имеющей ноги, может производиться в результате определенного алгоритма встречного поворота ног. Движение платформы относительно основания осуществляется посредством определенной последовательности х1 и x2, связанных с основанием шарнирами. Поворот групп микроног может существляться посредством различных микроприводных систем - пьезоэлектрических, электромагнитных, электромеханических, тепловых, использующих материалы с памятью формы и др. Рассмотрим вначале поворот групп ног, производимый микроэлектромеханическими приводными системами, а именно: микродвигателями. В этом случае пары приводятся во вращение встроенными в шарниры микродвигателями. 

Последовательность угловых движений пар ног х1 и х2 производится программно микродвигателями, включение и выключение которых автоматически отображается на циклограмме. Каждому положению ног и платформы соответствует определенное включение двигателей, управляющих положением ног. В положении "а" обе группы ног х1 и х2 находятся в сложенном состоянии, управляющие сигналы на двигатели не подаются, и двигатели выключены . В положении "б" группа ног х1 приводится во вращение на угол оз и перемещает платформу силой F на расстояние Dх. В положении "в" начинается поворот группы ног х2. Этому положению соответствует включение двигателей всех групп ног х1 и х2. Платформа остается неподвижной относительно основания. Положение "г" соответствует включению двигателей групп ног х2 в обратном направлении на угол со, а платформа движется вперед посредством силы F, приложенной к платформе со стороны групп ног х1. Положение "д" соответствует начальному состоянию системы, когда обе группы ног сложены, а платформа переместилась на расстояние Dх. Полное перемещение платформы за период цикла составляет расстояние 2 Dх. Каждая группа микроног может состоять из десятков и сотен и перемещать платформу с установленным на ней грузом достаточно большой массы в несколько сот граммов и более. Перемещаемая масса зависит от числа микроног.

Наиболее яркий пример такого устройства. 
Устройство выполнено в виде Si-пластины, содержащей до 12 ног, каждая из которых образована в этой пластине сквозным П-образным узким отверстием. У основания ноги в кремнии сделаны 4 канавки, заполненные полиимидом, которые и образуют подвижный узел ноги. В исходном состоянии за счет сил механической деформации нога “сама” отгибается от пластины и поджата к ее плоскости. Между канавками с полиимидом в кремнии методом ионной имплантации бора созданы резисторы - нагревательные элементы. При пропускании импульса тока через эти резисторы нога за счет разогрева полиимида в канавках занимает положение, перпендикулярное пластине. При выключении тока она занимает исходное положение. При толщине 30 мкм и длине 0,5 мм нога выдерживает нагрузку 200 мг. Максимальная частота подачи импульсов тока составляет 250 Гц, что обеспечивает движение пластины со скоростью до 5 мм/с . Электрическая обмотка этого робота расположена на полом каркасе с магнитопроводом, часть которого  жестко связана с обмоткой, а другие части выполнены в виде эластичных ног (“ершиков”), геометрическая форма которых может иметь различные варианты. При подаче импульса тока через обмотку между ногами возникают силы взаимного магнитного притяжения Т1 и Т2. При этом ноги, упирающиеся изначально в стенку трубы, отжимаются от стенки, а другие ноги упираются в нее и приводят робот в движение. Преимущество движения с помощью ног состоит в полном отсутствии сил трения скольжения.

Миниатюризация роботов для продвижения в трубах возможна с применением эластичных ног, изготовленных из ферромагнитного материала, длина которых может изменяться от 0,5 мм до нескольких микрометров.

Если принять длину используемых в таком роботе ног или лапок равной 0,5 мм, то при диаметре трубы 2 мм диаметр платформы должен составлять не более 1,0 мм. С учетом того, что в качестве полезной нагрузки робота может выступать, например, волоконно-оптический кабель, или сенсорное микроустройство (диагностический робот), или какое-нибудь другое устройство, платформу целесообразно выполнить в виде полого цилиндра, внутри которого может быть размещен полезный груз. Это самый упрощенный подход к конструированию такой платформы. Более сложный вариант, выбранный при проектировании, заключается в том, что полая цилиндрическая платформа изготавливается по стекловолоконной технологии, которая при необходимости позволяет быстро модернизировать конструкцию платформы при ее производстве по мере изменения функционального назначения микророботов.

К миниатюрным электромеханическим системам условно можно отнести устройства, размеры которых лежат в пределах от 10x10x10 мм до 50х50х50 мм, все, что имеет меньшие габариты можно отнести к микросистемам. СМП включают в себя устройства, обеспечивающие движение выходного звена на расстояние до миллиметра с минимальным шагом до десятых долей микрометра. Кроме того, МЭМС могут быть элементами СМП, в частности рабочими органами.

Автоматические электромеханические устройства, предназначенные для перемещения миниатюрных объектов на расстояние менее 1 мм, можно назвать системами микроперемещений. Сфера их применения в последнее время постоянно расширяется. Это связано с интенсивным развитием таких областей приборостроения как микроэлектроника и микромеханика, оптика и оптоэлектроника, которые служат мощным стимулом прогресса робототехники, компьютерной техники, а также биологии и медицины.