(In alto) Immagine che mostra il collegamento microelettromeccanico che converte la traslazione (freccia dritta) in rotazione (freccia curva). Il riquadro rosso indica la regione della parte rotante che presenta nanoparticelle fluorescenti. (In basso) Immagine che mostra le nanoparticelle fluorescenti sulla parte rotante del collegamento. Il monitoraggio delle nanoparticelle consente di testare le prestazioni e l'affidabilità del sistema. Credito:NIST
Dalla stampa al motore a reazione, le macchine meccaniche con parti in movimento sono da secoli un caposaldo della tecnologia. Poiché l'industria statunitense sviluppa sistemi meccanici più piccoli, affrontano sfide più grandi:è più probabile che le parti microscopiche si attacchino e si consumino quando entrano in contatto l'una con l'altra.
Per aiutare a rendere affidabili i sistemi microscopici meccanici (micromeccanici) per le tecnologie avanzate, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) stanno tornando alle origini, misurare attentamente come le parti si muovono e interagiscono.
Per la prima volta, i ricercatori del NIST hanno misurato il trasferimento del movimento attraverso le parti a contatto di un sistema microelettromeccanico su scala nanometrica e microradiante. Il loro sistema di prova consisteva in un collegamento in due parti, con il movimento di un collegamento che guida l'altro. Il team non solo ha risolto il movimento con una precisione record, ma ne ha anche studiato le prestazioni e l'affidabilità.
Le lezioni apprese dallo studio potrebbero avere un impatto sulla fabbricazione e sul funzionamento di vari sistemi micromeccanici, compresi interruttori di sicurezza, insetti robotici e piattaforme di produzione.
Il movimento dei sistemi micromeccanici a volte è troppo piccolo:spostamenti di pochi nanometri, o un miliardesimo di metro, con rotazioni corrispondentemente piccole di pochi microradianti, per la risoluzione dei metodi di misurazione esistenti. Un microradiante è l'angolo corrispondente alla lunghezza di un arco di circa 10 metri lungo la circonferenza della terra.
"C'è stato un divario tra la tecnologia di fabbricazione e la metrologia del movimento:esistono processi per produrre sistemi meccanici complessi con parti microscopiche, ma le prestazioni e l'affidabilità di questi sistemi dipendono dal movimento che è stato difficile misurare. Stiamo colmando quel divario, " ha detto Samuel Stavis, un capo progetto al NIST.
"Nonostante quanto semplice appaia questo sistema, nessuno aveva misurato come si muove alle scale di lunghezza e angolo che abbiamo studiato, " ha affermato il ricercatore Craig Copeland del NIST e dell'Università del Maryland. "Prima che i produttori commerciali possano ottimizzare la progettazione di sistemi più complessi come interruttori microscopici o motori, è utile capire come i sistemi relativamente semplici operino in varie condizioni."
Le misure, che i ricercatori riferiscono in Microsistemi e nanoingegneria , affidarsi alla microscopia ottica per tracciare le caratteristiche della superficie sulle parti in movimento. Il produttore può incorporare le caratteristiche della superficie durante il processo di fabbricazione in modo che il sistema sia pronto per la misurazione appena uscito dalla fonderia. O, i ricercatori possono applicare nanoparticelle fluorescenti al sistema dopo la fabbricazione per una maggiore precisione. I ricercatori del NIST hanno introdotto questo metodo di misurazione in uno studio precedente e hanno utilizzato metodi correlati per tracciare il movimento e l'interazione di altri piccoli sistemi. È importante sottolineare che la capacità di tracciare simultaneamente il movimento di più parti in un sistema micromeccanico ha permesso ai ricercatori di studiare i dettagli dell'interazione.
Nel loro esperimento, i ricercatori hanno studiato il trasferimento del movimento attraverso un collegamento meccanico, che è un sistema di parti collegate per controllare le forze e il movimento nelle macchine. Il sistema di prova aveva due collegamenti che si collegavano e si scollegavano attraverso un giunto, che è il punto in cui i collegamenti applicano le forze l'uno all'altro. Il riscaldamento elettrico e l'espansione termica di un collegamento guidavano la rotazione dell'altro collegamento attorno a un perno. I ricercatori hanno sviluppato un modello di come il sistema dovrebbe muoversi in condizioni operative ideali, e ha usato quel modello per capire le loro misurazioni di come il sistema si muoveva in condizioni operative pratiche. La squadra ha scoperto che giocare nell'articolazione tra i collegamenti, che è necessario per consentire tolleranze di fabbricazione ed evitare che le parti si inceppino, ebbe un ruolo centrale nel moto del sistema. Nello specifico, la quantità di gioco era un fattore importante nel determinare con precisione come i collegamenti fossero accoppiati e disaccoppiati, e quanto potrebbe essere ripetibile questo trasferimento di moto.
Fintanto che l'ingresso elettrico che guida il sistema è relativamente privo di rumore, il sistema ha funzionato sorprendentemente bene, trasferire il moto da una parte all'altra in modo molto consistente per migliaia di cicli di manovra. "Era perfettamente ripetibile all'interno dell'incertezza di misura, " disse Copeland, "e ragionevolmente coerente con il nostro modello ideale."
Questo è importante, lui nota, perché alcuni ricercatori si aspettano che l'attrito tra piccole parti degraderebbe le prestazioni e l'affidabilità di un tale sistema. Molti ingegneri hanno persino abbandonato l'idea di realizzare sistemi micromeccanici con parti mobili che entrano in contatto, passare a sistemi micromeccanici con parti che si muovono flettendosi per evitare il contatto tra loro.
I risultati suggeriscono che i sistemi micromeccanici che trasferiscono il movimento attraverso parti a contatto "possono avere applicazioni inesplorate, " disse Stavi.
Però, i ricercatori hanno scoperto che quando aggiungevano una normale quantità di rumore elettrico al meccanismo di guida, il sistema diventava meno affidabile e non sempre riusciva a trasferire il moto da un collegamento all'altro. Ulteriore, l'esposizione del sistema all'umidità atmosferica per diverse settimane ha causato l'adesione delle parti, anche se i ricercatori potrebbero liberarli e farli muovere di nuovo.
Questi risultati indicano che mentre i sistemi micromeccanici hanno il potenziale per trasferire il movimento tra le parti a contatto con prestazioni inaspettatamente precise, il segnale di guida e l'ambiente operativo sono fondamentali per l'uscita affidabile del movimento.
Il team ora prevede di migliorare le proprie misurazioni ed estendere il proprio lavoro a sistemi più complessi con molte parti mobili.
"I sistemi micromeccanici hanno molte potenziali applicazioni commerciali, " ha detto Stavis. "Pensiamo che misurazioni innovative aiuteranno a realizzare questo potenziale".
