Материал: mekhatronika_UrGUPS

Микрофотография фрагмента храпового механизма – 20 таких шестеренок равны примерно диаметру точки в конце предложения – приведена на рис. 2.3.

Микромашины не собирают из готовых деталей, а целиком выращивают слой за слоем на кремниевой подложке, применяя технологии осаждения слоев поликремния (поликристаллического кремния) и двуокиси кремния, фотолитографии, травления и планаризации (сглаживания), т. е. те технологии, что давно применяются для изготовления

микроэлектроники. В конце технологического процесса изготовления микромашины все ее детали уже находятся на своих местах в правильном соединении между собой, но двигаться еще не могут, потому что как бы «утоплены» в толстом слое двуокиси кремния, которую необходимо вытравить кислотой. Толщина слоев поликремния 1–2 микрона, т. е. это – толщина шестерней, маховиков, шатунов, рычагов, собачек, храповиков, пружин и прочих составляющих механизма.

В1994 году инженеры из университета Висконсин-Мэдисон создали микродвигатель с размером ротора 140 мкм (0,14 мм), дающий почти 150 тысяч оборотов в минуту в течение 24 часов и питающийся электростатическим электричеством.

Широкое применение MST-технологии нашли при разработке микророботов. Микророботы по внешнему виду могут быть копией макророботов, но чаще на них совершенно не похожи. По определению микроробот – это микроэлектромеханическое устройство

спрограммируемой последовательностью действий и способностью выполнять основные операции с точностью от 0,1 мкм до 1 нм и занимающее объем кратный 10–3 м3 (1 мм3).

Микроробототехника теснейшим образом связана с нанотехнологиями, обеспечивая микроперемещение микрообъектов.

Внастоящий момент основной проблемой в микротехнологиях и микросистемной технике является разработка единых технологических подходов к изготовлению всех подсистем. Только единый подход к производству различных по функциональному назначению и составу подсистем позволит реализовать задачи, на решение которых нацелено создание микроустройств.

31

Наукой и техникой пройден пока только первый этап развития микросистем – создание микроустройств обработки информации, принятия решений и управления – микроэлектроники. Эти достижения явились базой для работ второго этапа построения микросистем – создания компактных микроустройств и микросистем с использованием единого технологического цикла при изготовлении сенсорной, управляющей и силовой подсистем. В последние годы

вразличных странах появилось большое количество экспериментальных микроустройств и микросистем, нацеленных на решение задач

вразличных областях науки и техники. Происходит их дальнейшая миниатюризация, расширение их функциональных возможностей, при этом создаются универсальные технические решения, которые можно без существенных изменений применять как в военной, так и в гражданской области. Но в то же самое время микроустройства второго этапа развития микросистемотехники строятся в виде модульных схем, где различные элементы подсистем могут быть выполнены

ввиде отдельных микросхем различного функционального назначения, соединенных между собой электрическими цепями.

На третьем этапе прогнозируется создание микроустройств распределенного типа, во многом копирующих структуры живых организмов (биоморфы). Работы по третьему этапу уже начались, и появились определенные успехи. При этом следует заметить, что работы на всех трех этапах могут идти как самостоятельно, так и во взаимодействии и взаимодополнениями с другими этапами.

Второй этап развития микросистемной техники стал возможен лишь с появлением таких технических решений, как сканирующие туннельные микроскопы (СТМ). Основные положения нового направления научно-технической революции были намечены в хрестоматийной речи отца нанотехнологий Ричарда Фейнмана «There’s Plenty of Room at the Bottom» («Там внизу – море места»), произнесенной им в Калифорнийском технологическом институте в 1959 году. Тогда его слова казались фантастикой, потому что не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами. Такая возможность появилась лишь в 1981 году, когда в швейцарском отделении IBM был разработан сканирующий туннельный микроскоп – прибор, чувствительный к изменениям туннельного тока между поверхностью материала и сверхтонкой иглой.

IBM, Fujitsu и Intel за последние два года потратили на нанотехнологии миллиард долларов. Нанотехнологии в основном применяются для создания особых материалов – солнцезащитных экранов,

32

композитных материалов для автомобилей, устойчивых к загрязнению тканей, самоочищающихся оконных стекол и т. д. Уже не одно десятилетие обсуждается возможность создания самовоспроизводящихся машин.

Впоследнее время в области микро- и миниробототехники на стыке таких, казалось бы, разных областей знаний, как микроэлектроника, микросистемотехника, нейрокибернетика, бионика и биология появились новые направления, которые можно объединить под названием биоробототехника. Наиболее интенсивный характер этих работ наблюдается в основном применительно к военной робототехнике.

Основные исследования в данном направлении выполнялись

врамках программ «Управляемые биологические системы» и «Биоподобные системы», финансируемые агентством перспективных оборонных исследований ДАРПА министерства обороны США.

Одним из перспективных направлений современной биомикроминиробототехники является направление, связанное с созданием роботов-биогибридов.

Суть этого подхода заключается в том, что управление осуществляется живым организмом – насекомым или мелким животным, путем воздействия электрическими сигналами или иным способом на его нервную систему. Такие биомикроили биоминироботы могут использоваться как мобильные устройства для решения целого спектра задач. В частности, они могут быть использованы для решения задач химической и радиационной разведки, поиска людей под завалами при ликвидации последствий аварий и катастроф, для охраны и наблюдения за объектами, а также для обнаружения взрывных устройств и разминирования.

Внастоящее время для решения многих задач весьма перспективно использование мобильных биороботов, создаваемых на основе биоорганизмов, высокочувствительных сверхминиатюрных сенсорных устройств и управляющих электронных систем. При этом могут создаваться биотехнические или бионические системы разной степени сложности.

Внаиболее простом случае биообъект может нести систему, отслеживающую его передвижения, и необходимый набор датчиков для оценки состояния окружающей среды, информация от которых или передается в стационарную систему сбора и обработки информации по проводным и беспроводным каналам связи, или может регистрироваться аппаратурой, размещаемой на биообъекте.

33

Больших успехов в области микромехатроники и нанотехнологий добились Германский институт микромеханики (созданный в рамках системы Фраунгоферовских институтов) и фирма Klocke Nanotechnik (Германия), разработавшие пьезоуправляемый двигатель (ход которого составляет несколько нанометров) для электронной микроскопии, микробиологии, микросборки, «интеллектуальный вал двигателя» и т. д.

В заключение данного раздела отметим, что все три признака развития мехатронных систем – синергетическое объединение элементов системы, ее интеллектуализация и миниатюризация – являются в известной степени взаимосвязанными и влияют друг на друга. Например, уровень миниатюризации элементов системы, безусловно, влияет на уровень синергетического объединения (интеграции) и интеллектуализации системы.

Обобщая изложенное, можно констатировать, что мехатроника как новое научно-техническое направление символизирует и воплощает общие тенденции развития техники в XXI в. – междисциплинарную интеграцию, интеллектуализацию и миниатюризацию.

34

Лекция 3 Технологическое обеспечение мехатронных и робототехнических систем

Технологическое обеспечение является решающим фактором реального развития мехатроники и робототехники [1]. Жизненный цикл мехатронных систем состоит из нескольких этапов – проектирование, подготовка производства, производ-

ство и реализация, эксплуатация и утилизация. На всех этапах жизненного цикла системы имеются свои целевые установки. При этом участники жизненного цикла стремятся достичь поставленных целей с максимальной эффективностью. Специфика задач, решаемых на различных этапах жизненного цикла изделий, обуславливает разнообразие технологий для их решения, базирующихся на принципах системного подхода, как к каждому этапу, так и ко всему жизненному циклу мехатронной системы.

3.1. Структурный и технологический базисы мехатроники

Структурная пирамида мехатроники, учитывающая целостность мехатронного объекта, состоящего из трех главных частей – механической, электронной и информационной, наглядно показана в форме пирамиды (рис. 3.1) [1].

Оси координат (базовые направления) пирамиды – механика, электроника, информатика – соответствуют трем главным (базовым) частям мехатронной системы. На координатных осях отмечены современные уровни развития этих частей (прецизионная механика, микроэлектроника, информационные технологии). Попарная интеграция базовых направлений – грани пирамиды образуют три гибридных

35