微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!

   自动化那些事        

研究者提出了一种基于奇异偏心纳米发动机的微型汽车自主运动的转向推进机构。研究者以微机电系统技术为基础,采用逐层沉积的方法,发明并合成了由金、镍、铂组成的微型汽车。


研究了金-镍-铂微型汽车在三种不同过氧化氢浓度去离子水中的自转向推进特性。实验结果表明,该微型飞行器可以在不受任何外部控制的情况下,自主地沿顺时针或逆时针方向旋转向前推进。本文以“Circular steering of gold–nickel–platinum micro-vehicle using singular off-center nanoengine”为题于2020年10月9日发布于《International Journal of Intelligent Robotics and Applications》杂志上。

微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!


研究背景


纳米马达是一种能将化学能转化为机械运动或力的纳米级装置。大自然经过数百万年的进化,已经开发出各种智能和高效的生物分子运动蛋白。


例如,线性生物分子蛋白,如驱动蛋白、肌球蛋白和动力蛋白,能够将三磷酸腺苷(ATP)偶联水解为二磷酸腺苷(ADP)和磷酸腺苷(Pi),用于横向运动。此外,旋转马达蛋白(如鞭毛纳米马达和ATP合酶)具有将离子动力(IMF)转化为旋转运动的能力。


如上所述,进化赋予了生物分子运动蛋白以令人着迷的功能。受自然发生的生物分子纳米马达的启发,研究人员在过去的几年里广泛致力于发展合成纳米器件。纳米射流的转向推进可以改善流体的混合,增加目标与受体固定的纳米射流结合的可能性,从而提高灵敏度和选择性。因此,微/纳米射流的环形转向在基于运动的(生化)传感中起着重要的作用。


在上述工作中,纳米射流大多形成锥体或圆柱体,在没有外部控制源的帮助下无法实现圆形自转向推进。


另一方面,用于制造微/纳米射流的方法是非常复杂的技术,需要复杂的操作技能。本文提出了一种圆形自转向推进机构,用于研究具有奇异偏心纳米发动机的微型汽车自主推进问题。


微型车辆有一种磁盘形式,由三种不同的金属组成:金(Au),镍(Ni)和铂(Pt)。基于微机电系统(MEMS)技术,采用高效的逐层沉积(LbL)技术合成了盘状金-镍-铂微车。微型飞行器的推进特性是在三种不同的过氧化氢(H2O2)浓度的去离子水。实验观察表明,该微型汽车在不需要任何外部控制的情况下进行圆周运动,表明该微型汽车可以实现圆周自转向。

微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!


图为带有奇异离心纳米发动机的Au-Ni-Pt微载体原理图

微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!


图为H型单中心喷管纳米发动机圆盘型Au-Ni-Pt微型飞行器圆形自舵推进机构原理图2O2解决办法


为了制造这种结构,一种4英寸的硅(Si)晶片首先浸入硫酸中,所以在120°C下清洁表面30 min。在此基础上,制备了一层1m的硅晶片表面。二氧化硅(SiO)2)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在300°C下40 min。为了提高光致抗蚀剂在氧化物上的粘附性,SiO2将涂覆的硅片转移到原烤箱中进行六甲基二硅偶氮烷(HMDS)涂层2 min,在SiO表面形成较强的化学键。

微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!


图为奇异型非中心喷嘴纳米发动机微载体制造步骤的原理图


采用微机电系统(MEMS)技术,采用LBL沉积法制备了Au-Ni-Pt微载体.扫描电子显微镜(SEM)图像的自顶向下和侧面的Au-Ni-Pt微型车辆与奇异的非中心喷嘴纳米发动机在硅晶片上显示在图中。

微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!


图为用奇异离中心喷嘴纳米发动机合成的Au-Ni-Pt微载体的扫描电镜照片

微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!


图为用奇异离中心喷嘴纳米发动机合成的Au-Ni-Pt微载体的EDS分析结果

微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!


图为三种不同H条件下单中心喷管纳米发动机的圆盘状金镍铂微型汽车在直喷式水中的圆形转向推进的时间延迟2O2浓度

微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!


图为Au-Ni-Pt微型飞行器在三种不同H条件下直射水中的弹道分析2O2浓度


3种不同浓度的微型飞行器的推进速度和角速度分别为80.0±5.0m/s和2.62±1.50rad/s,120.0±8.0m/s和15.70±2.32rad/s,150.0±7.0m/s和20.93±2.58rad/s。实验结果表明,微型飞行器的推进速度和角速度随H值的增加而增大。

微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!


图为奇异离心纳米发动机的Au-Ni-Pt微型飞行器在H中的推进速度和角速度综述2O2解

微型汽车使用的纳米发动机,竟能让其完成圆形转向!


图为带有奇异的离中心喷嘴纳米发动机的Au-Ni-Pt微型飞行器的圆形自舵推进原理图


特别地,实验结果表明,O2气泡首先产生在奇异的偏心Pt纳米发动机表面,它催化H2O2的分解。之后,所产生的O2气泡变得越来越大。当氧气气泡达到一定直径时,它们最终会从微型飞行器上脱落。O2气泡释放后,产生的反冲力反过来推动微型飞行器的圆形自转向推进。结果表明,实验结果与所建立的模型非常吻合。


研究结论


研究者提出了利用O2气泡脱离产生的动量变化引入圆形自转向推进机制,以探索Au-Ni-Pt微型载具在稀释H2O2中的推进。采用基于MEMS技术的大规模LbL沉积技术,合成了具有奇异偏心喷管纳米发动机的盘形微型飞行器。


在不同H2O2浓度的去氧水中对微型汽车的环形转向进行了实验表征。结果显示,微型飞行器能够顺时针或逆时针圆周运动,这取决于Pt纳米发动机相对于微型飞行器的位置。


参考文献:Liangxing Hu, Nan Wang, Kai Tao, Jianmin Miao & Young-Jin Kim Circular steering of gold–nickel–platinum micro-vehicle using singular off-center nanoengine International Journal of Intelligent Robotics and Applications (2020)



最新评论(0)条评论
不吐不快,我来说两句

还没有人评论哦,抢沙发吧~

相关新闻推荐