Разработка научных основ механики и создание МЭМС

МЭМС - микроэлектромеханические системы.

Разработка научных основ механики, интеграция нано-, микро- и макросистем и создание на этой базе МЭМС является новым направлением развития науки и техники XXI в., сопоставимым с развитием электроники в XX в.

В промышленно развитых странах в последнее время форсируется крупный научно-технический прорыв в новой области науки и техники микромеханике, технологии, базирующейся на методах и средствах микроэлектроники, достижениях в области прецизионной пленочно-стекловолоконной технологии микропроизводства, определяющих создание изделий субмиллиметрового и субмикронного уровня.

Актуальность проведения исследований и разработок по этой проблеме вытекает из необходимости решения целого ряда задач в промышленности, топливно-энергетическом, медицинском, аэрокосмическом и оборонном комплексах.

Сегодня крупнейшие мировые фирмы и университеты сосредоточили значительные усилия на таких областях микромеханики, как микросистемотехника и микроробототехника, которые будут играть ведущую роль в развитии промышленного производства, медицины, военной техники в XXI в.

Быстрый рост объема исследований и разработок за рубежом свидетельствует о том, что микромеханика уже стала, по существу, одним из новых научно-технических направлений, конструкторско-технологические решения которого позволят достигнуть принципиально нового уровня в области автоматизации технологических процессов, адаптивности оборудования, его точности, надежности, безопасности и использования методов механики в военных, прикладных и антитеррористичсских задачах.

Обзор развития существующих в мире миниатюрных роботов и анализ особенности их механических транспортных систем.

Здесь приводятся примеры применения микросистемной техники и микро-электромеханических систем, связанные с развитием современных технологий, таких как микроэлектроника, мехатроника, автоматизация и управление, биомеханика, биотехнологии, информационные технологии, нанотехнологии, медицинская техника. Подробно рассмотрены механические системы миниатюрных роботов, перемещающихся по различным поверхностям в ограниченных и неограниченных пространствах по твердым поверхностям, в воздушной и водной средах. Уделено внимание и традиционным сборочным роботам с учетом действующих сил и моментов.

Поскольку изучение движения миниатюрных систем составляет существенный раздел механики, рассматриваются методы и отличительные особенности реализации двигательных функций в зависимости от окружающих сред, требований к характеру реализации движений и выполняемых задач. Обосновывается, что при движении микрообъектов действуют иные соотношения между силами и моментами по сравнению с движениями макрообъектов. Дан подробный анализ действующих сил в миниатюрных роботах в зависимости от принципов действия соответствующей механической системы.

Показано, что существенное значение имеют силы адгезии, Ван-дер-Ваальса, поверхностного натяжения, электростатические, электродинамические, электромагнитные, действие которых при определенных условиях и миниатюрных размерах роботов может быть значительно большим по сравнению с гравитационными силами. Рассмотрены действующие силы в электромагнитных двигателях, пьезоэлектрических актюаторах, микрозахватных устройствах при выполнении операций микросборки. Обобщены результаты исследований по относительному влиянию действия сил в микромире в зависимости от принципов действия микророботов.

Обзор механических систем миниатюрных роботов, перемещающихся в ограниченных пространствах, в частности в трубах малых диаметров (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров). На основе анализа методов движения миниатюрных роботов в трубах приводятся данные исследований динамических процессов в механических системах с электромагнитными приводами. Анализируются оригинальные схемы механических систем внутритрубных миниатюрных роботов с возможностью реверсивного движения, а также магнитоэлектромеханические процессы, происходящие в моделях миниатюрных роботов с соответствующими двигателями. Анализ параметров произведен с использованием большого числа расчетных и экспериментальных данных, сведенных в соответствующие таблицы и графики, данные которых не только имеют фундаментальное значение, но и могут быть использованы при расчете и проектировании микророботов.

Приведены новые сведения о динамических процессах, происходящих при движении миниатюрных роботов в различных окружающих средах, в частности робота-капсулы под действием перистальтики желудочно-кишечного тракта, многозвенных роботов поступательного и вращательного движения, плавающих микророботов в вязких средах. Полученные новые данные о динамике и результаты компьютерного моделирования позволяют развить теорию движения управляемых миниатюрных роботов. Подробно представлен движущий эффект колебаний микророботов в вязких средах при различных числах Рейнольдса, принцип самопродвижения жгутиковых микросистем в различных замкнутых сосудах, заполненных вязкими жидкостями, посредством генерации бегущих волн смещения элементов во внешних гибких оболочках или всего корпуса. Дается обобщение результатов сравнительного анализа механических систем, реализующих принципы самоперемещения микросистем за счет продольных, поперечных, пульсирующих колебаний или их комбинации. Анализируются принципы воздухоплавания “летающих микророботов” и движения миниатюрных роботов в вязких средах в результате возбуждения пульсирующих колебаний.

Рассмотрены динамические процессы при прямом и реверсивном движении миниатюрных роботов в трубах диаметром несколько миллиметров на основе разработанной оригинальной математической модели движения. Математическая модель динамики построена для робота электромагнитного типа с учетом приложенных сил и использованием эффекта анизотропии кулоновых сил сухого трения. Представлены результаты численного моделирования уравнений динамики в виде серии графиков, характеризующих связь между основными параметрами, описывающими движение, в том числе зависимости максимальной скорости движения от частоты и скважности управляющих импульсов электромагнитной силы. Приведены результаты моделирования движения двух типов роботов: с двигателем инерционного типа и с управляемыми скользящими упорами, обладающими анизотропным трением.