Electrokinetic Propulsion for Electronically Integrated Microscopic Robots

要約

目で見るには小さすぎるロボットは、車載マイクロエレクトロニクスの組み込みのおかげで、近年急速に進化しています。
半導体回路は、制御された無線操縦、所定の脚歩行パターン、およびユーザーによって引き起こされるデジタル状態間の遷移を実行できるマイクロロボットに使用されています。
しかし、これらの有望な新機能は、複雑な製造という高額な代償を払って実現されています。
回路コンポーネントは半導体ファウンドリによって確実に構築できますが、電子的に統合されたマイクロロボット用に現在利用可能なアクチュエータは、複雑な複数ステップのクリーンルームプロトコルで構築されており、多関節脚や気泡発生器などの設計と制御が難しい機構を使用しています。
ここでは、リソグラフィー処理の単一ステップで構築でき、低電流/低電圧動作 (1V、10nA) のおかげでマイクロエレクトロニクスと容易に統合でき、1 を超える速度で泳ぐロボットを生み出す、電子的に統合されたマイクロロボット用の推進システムを紹介します。
1秒あたりの体の長さ。
マイクロモーターの研究からインスピレーションを得たこれらのロボットは、周囲の流体に電場を生成し、ひいては推進動電流を生成します。
基礎となる物理学は、ロボットの速度が印加電流に比例するモデルによって捉えられるため、設計と制御が簡単になります。
その証拠に、私たちはオンボード回路と閉ループ光学制御スキームを使用してウェイポイントを移動し、調整された群れで移動する基本的なロボットを構築します。
概して、ソリッドステート推進は、数カ月から数年にわたって確実に動作する、堅牢で製造が容易な電子制御マイクロロボットへの道を切り開きます。

要約(オリジナル)

Robots too small to see by eye have rapidly evolved in recent years thanks to the incorporation of on-board microelectronics. Semiconductor circuits have been used in microrobots capable of executing controlled wireless steering, prescribed legged gait patterns, and user-triggered transitions between digital states. Yet these promising new capabilities have come at the steep price of complicated fabrication. Even though circuit components can be reliably built by semiconductor foundries, currently available actuators for electronically integrated microrobots are built with intricate multi-step cleanroom protocols and use mechanisms like articulated legs or bubble generators that are hard to design and control. Here, we present a propulsion system for electronically integrated microrobots that can be built with a single step of lithographic processing, readily integrates with microelectronics thanks to low current/low voltage operation (1V, 10nA), and yields robots that swim at speeds over one body length per second. Inspired by work on micromotors, these robots generate electric fields in a surrounding fluid, and by extension propulsive electrokinetic flows. The underlying physics is captured by a model in which robot speed is proportional to applied current, making design and control straightforward. As proof, we build basic robots that use on-board circuits and a closed-loop optical control scheme to navigate waypoints and move in coordinated swarms. Broadly, solid-state propulsion clears the way for robust, easy to manufacture, electronically controlled microrobots that operate reliably over months to years.

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