Роботы для нанообъектов

Э.В. Гринцевич

РОБОТЫ ДЛЯ НАНООБЪЕКТОВ

Ключевые слова: нанотехнологии, роботы, наносборка, наноразмеры.

Аннотация

В статье представлены высказывания известных специалистов - интеграторов роботизированных систем крупных мировых фирм по разработке и использовании роботов в широком круге процессов для позиционирования объектов наноразмеров.

Нанотехнологии, манипулирование деталями и сборка крошечных приборов, размер которых часто не превышает размера группы молекул, - прекрасная сфера для применения промышленных роботов. Вследствие того факта, что приходится работать с объектами такой маленькой величины - их длина не превышает миллиардной части метра,

- которые люди не могут ни увидеть, ни собрать из них что бы то ни было, основным способом работы с подобными объектами становятся роботы. Большинство деталей, производимых людьми с целью последующей сборки, не могут быть меньше размера, который позволит специалистам с хорошим зрением и уверенными руками взять их подходящим пинцетом, - говорит доктор Джон Рэндалл (Dr. John Randall), главный директор по технологиям американской компании Zyvex Corporation - интегратора роботизированных систем. Любые объекты меньше этого размера - заявляет Рэндалл -требуют наличия мощного, гибкого инструмента, каковым и является робототехника. Роботы для нанотехнологий позволяют производить продукцию для нескольких типов деталей и датчиков. Некоторые из них перечислены Крэгом Рубенштайном (Craig Rubenstein), менеджером по продажам компании Motoman Inc., США. «Робототехника используются в широком круге процессов для позиционирования объектов наноразмеров, в том числе при сборке волоконно-оптических компонентов», - рассказывает Рубенштайн.

- «Роботы также используются при сборке, тестировании и осмотре полупроводников -производства нанотехнологической продукции. Кроме того, нанотехнологичные роботы применяются для обработки фармацевтических анализов высокой плотности». Джон Рэндалл из Zyvex считает, что в сфере нанотехнологий существует несколько сфер применения робототехники. «Роботизированные наноманипуляторы интегрируют в растровые электронные микроскопы высокой мощности. На рынке интегральных микросхем их используют для проведения исследований. Большинство основных производителей полупроводников в настоящее время имеют в своем распоряжении такие инструменты для измерения конкретных транзисторов в разных местах микросхемы. Нанотехнологичные роботы используются для управления контактами длиной всего 100 нанометров, ведь размеры этих контактов становятся все меньше и меньше. Исполнительные механизмы робота могут установить тонко вытравленные вольфрамовые пробы на металлические контакты с целью получить хороший электрический контакт. Как оказалось, это интересный рынок для нас. Еще одним возможным применением робототехники в нано-манипулировании или сборке является схватывание и размещение датчиков для построения оптических систем, таких как спектрометры, - продолжает рассказ Рэндалл. - Zyvex проводит свою политику на рынке инструментов для производства оптики заряженных частиц. Рэндалл объясняет, что робот управляет электронным микроскопом высокой мощности, а это необходимо для получения наилучшего разрешения. «Как правило, масс-спектрометры представляют собой крупные и очень дорогие лабораторные измерительные приборы. Благодаря нашему подходу наносборки, высокоточные роботы строят уменьшенные масс-спектрометры», - говорит Рэндалл. Небольшие масс-спектрометры установлены в аэропортах в целях обеспечения

безопасности. Рэндалл вкратце объясняет процедуру сканирования багажа. Служба безопасности авиакомпаний обрабатывает багаж специальной полотняной щеткой. Щетка анализируется масс-спектрометром, который осуществляет поиск взрывчатых веществ или биологического оружия. Обычные масс-спектрометры слишком велики для установки в аэропортах. Робототехника с нанотехнологическими возможностями дает возможность производить уменьшенные модели. Производство полупроводников и другой небольшой по размерам электроники было бы невозможным без применения робототехники, которая способна работать в наномасштабах. Брайан Карлайл, президент компании Precise Automation, США, указывает, что при работе с небольшими объектами роботы могут оперировать в трех различных масштабах: мини, микро и нано. Другие микроскопические электромеханические устройства, которые производятся с помощью робототехники, используются для медицинских приложений, таких как ангиопластика (пластические операции на сосудах). «Происходит сокращение объема хирургических инструментов, необходимых, например, для чистки тромбоцитов в венах и артериях. На конец катетера помещаются наноразмерные двигатели, которые проходят через вены, чтобы вычистить тромбоциты», - рассказывает Карлайл. - Среди прочих медицинских применений микроскопических механических устройств можно назвать камеру, которая помещается внутрь таблетки и проглатывается человеком, обеспечивая внутренний обзор пищеварительного тракта». Эта крошечная камера способствует проведению исследования кишечника, благодаря чему врачи не вынуждены прибегать к хирургии или инвазивным техникам, таким как эндоскопы, прикрепленные к кабелю. Карлайл указывает, что камера представляет собой полную систему, обладающую и источником энергии, и датчиками. Карлайл также рассказывает о зондах для манипулирования объектами наноразмеров. Это уменьшенная модель того, что часто выполняют классические роботы. Роботы собирают и передвигают объекты с помощью зондов. Существует лазерный пинцет, где два лазера направлены на жидкость, и они оказывают воздействие на поверхностное напряжение жидкости, которая охватывает или управляет клетками», - рассказывает ученый. - Это и есть уменьшенное в масштабе роботизированное манипулирование на наноуровне». Так как единицы, которыми манипулируют нанороботы, так бесконечно малы, типичные параметры производственных ячеек отличаются. Успешная реализация роботизированного решения в нанотехнологических приложениях ставит перед системными интеграторами уникальный набор задач. Чарльз Данчеон (Charles Duncheon), исполнительный вице-президент по продажам и маркетингу компании Artificial Muscle, Inc., США, указывает на несколько вещей, о которых должны помнить интеграторы и конечные пользователи нанотехнологичной робототехники при реализации таких систем. В нанотехнологичной робототехнике есть пара вещей, о которых не стоит забывать. Одна из них - получение нужной точности, которая технически достижима», - рассказывает Данчеон. - Другая задача - получить нужный форм-фактор, чтобы добиться конкретных движений в наносреде». По словам Данчеона, эти задачи решаются с помощью тех же технологий, которые применяются в системах с микроскопическими электромеханическими устройствами. «Если у вас имеется MEMS-прибор, то вы можете конвертировать эту технологию в программируемое роботизированное движение». Данчеон считает, что «интеграторы не всегда могут использовать традиционные электромагнитные двигатели и коробки передач. При работе с настолько маленькими объектами вам приходится бороться с законами физики». Завершает эту мысль Данчеон словами о том, что стандартные промышленные роботы хорошо выполняют точечную сварку машин или материалов, но их форм-фактор не всегда работает в наномире. Крэг Рубенштайн из Motoman имеет свой взгляд на то, как традиционные технологии могут применяться к нанотехнологичным роботизированным производственным ячейкам. «Традиционная робототехника не предназначена для обеспечения точности при позиционировании в наномасштабе. Скорее они полезны для «макропозиционных» задач при относительно

широком рабочем диапазоне», - рассказывает Рубенштайн. - Дополнение макропозиционирования решениями для точного позиционирования - например, пьезоэлектрическими платформами - это одна возможная стратегия для выполнения требований нанопозиционирования на больших площадях. Другая техника - применение машинного зрения для обеспечения уточнения локального местоположения, что существенно уменьшает аддитивную погрешность, которая накапливается при больших расстояниях хода». Джон Рэндалл из Zyvex уверен, что важно сопоставлять размер робота с задачей, которую надо выполнить. «Как правило, роботы не масштабируются точно для манипулирования объектами наномасштаба». Рэндалл особенно подчеркивает важность замкнутой системы управления при перемещении таких маленьких частиц. «Важно иметь возможность знать, что объект, который вы двигаете, попал в нужную точку. Чтобы добиться этого, датчики «говорят» приводу робота передвинуть полупроводниковую пластину на указанную точку, однако датчик также должен сказать вам, что пластина уже передвинута на это место». Рэндалл добавляет, что сила тяжести относительно слабо воздействует на объекты наноразмера. «При манипулировании объектами, имеющими в длину несколько нанометров, вы не можете рассчитывать на силу тяжести, чтобы положить объект туда, куда хотите. Часто на этом уровне электростатические силы оказываются сильнее, чем гравитация». В ближайшие пять лет, с ростом объема нанотехнологической робототехники, затраты будут снижаться. Как и в любом точном производственном процессе, в этой сфере всегда необходимы были инвестиции. Пока не возникнет достаточный объем для амортизации, инвестиции не будут приносить дохода»,

- утверждает Чарльз Данчеон из Artificial Muscle. - В ближайшие несколько лет объемы станут достаточными, и инвестиции для производства этой продукции покроют широкий круг единиц, благодаря чему они станут приносить прибыль». Брайан Карлайл из Precise Automation считает, что «следующие пять лет будут посвящены разработке лучших материалов, контролю производства материалов гораздо большего разрешения, чем в прошлом», - предсказывает он. «В промежуток от пяти до десяти лет, считая от сегодняшнего дня, мы столкнемся с более высоким уровнем интеграции продукции, где будут объединены датчики, приводы и источники энергии». Джон Рэндалл из Zyvex смотрит в будущее с оптимизмом. «Существует функциональная продукция, которая намного меньше того, чем могут манипулировать люди. Производители боятся создавать продукты меньшего размера, потому что люди не смогут их использовать», - говорит он. -И тогда появляются роботы, которые могут взять и поместить в нужную точку детали, намного меньшие тех, которые могут взять человеческие руки. В конечном счете, это приведет к новой революции в миниатюризации, где вещи, которые уже уменьшились в размерах, станут еще меньше».