Microeletromecânica – o caminho certo para a “poeira inteligente”?

Fotolitografia de semicondutores, impressão 3D e outros métodos de produção industrial mais recentes são usados ​​ativamente para a produção em massa de sistemas microeletromecânicos (MEMS): sensores e atuadores, bem como várias combinações deles com tamanhos característicos de milímetros a alguns mícrons. Em 2010, nossa publicação publicou uma revisão bastante detalhada dos MEMS que era relevante na época em três partes. Então essa sigla foi ouvida por todos os fãs de alta tecnologia; em primeiro lugar, graças à integração de giroscópios MEMS, acelerômetros e outros sistemas eletromecânicos em miniatura em smartphones que eram ensurdecedoramente populares na época. Hoje, os telefones celulares deixaram de ser dispositivos incríveis e se tornaram parte integrante da vida cotidiana, enquanto os MEMS… o que exatamente aconteceu com eles? Será que eles continuam a melhorar em papéis secundários como elementos de serviço de dispositivos maiores – ou ainda evoluem da classe microscópica para a nanoescala, prometendo, em algum futuro próximo, tornar-se a base das até agora fantásticas “partículas inteligentes de poeira” que estão sendo desenvolvidas? no paradigma de cima para baixo?

Um atuador de catraca torcional (TRA) converte a vibração dos cílios da grade interna sob a influência de um fornecimento sequencial de carga elétrica para ela em rotação unidirecional do anel externo – com uma frequência de até 3 kHz (fonte: Sandia)

⇡#Faça mais

Na verdade, a manifestação de propriedades elétricas e mecânicas interligadas por um mesmo meio foi descoberta no final do século XIX: é o efeito piezoelétrico, hoje bem conhecido. Um efeito direto deste tipo significa o aparecimento de cargas elétricas na superfície de uma amostra de um material deformável de determinada composição (os chamados piezoelétricos); sob o reverso – uma mudança na forma da amostra sob a influência de uma tensão elétrica aplicada a ela. Na acustoeletrônica, um ressonador é conhecido e amplamente utilizado há muito tempo – um transistor com porta ressonante, capaz de converter vibrações elétricas de alta frequência em mecânicas. Com exceção da complexidade de fabricação que cresce como uma avalanche com a redução das dimensões características, não há obstáculos para a utilização de tais dispositivos nos mais diversos dispositivos em miniatura – nos mesmos protótipos de “partículas inteligentes”, por exemplo.

Porém, há muito tempo, foram superadas dificuldades puramente tecnológicas no caminho para a produção em massa de ressonadores. Em 1965, Harvey C. Nathanson, então pesquisador do Westinghouse Research Labs em Pittsburgh, desenvolveu um método para produzir múltiplos transistores de porta ressonante de uma só vez – essencialmente semelhante à fabricação fotolitográfica de transistores semicondutores clássicos com a porta estacionária mais comum. Aqui, da mesma forma, foi utilizada a deposição camada por camada de um isolante e metal sobre um substrato de silício – com posterior moldagem dos elementos necessários, expondo o material fotossensível através de fotomáscaras e removendo o excesso de material durante a revelação. É a partir do recebimento de uma patente por Nathanson em 1973 para a produção de streaming em fábrica de matrizes controladas por microespelhos que todo um segmento da indústria de projetores digitais, DLP, traça sua história. Se em 1975 o mercado global de MEMS foi estimado em 30 milhões de dólares, então, no período pré-coronavírus de 2019, já tinha crescido para 20 mil milhões de dólares.

Esquema do primeiro dispositivo MEMS (sintonizador de rádio microeletrônico) do mundo – que ainda não se destinava a ser fabricado por litografia – a partir da descrição da patente emitida para Harvey Nathanson (fonte: Wikimedia Commons)

No caso mais geral, os dispositivos MEMS são uma combinação de microestruturas físicas, microssensores, microatuadores – integrados num único complexo (e muitas vezes fabricados no decurso de um processo tecnológico comum para todos os componentes) – e, claro, microelectrónica, com o ajuda do qual todo este equipamento é controlado e/ou recebe os dados que coleta. Aliás, sensores e atuadores são muitas vezes combinados com o termo “transdutores”, pois, assim como o ressonador mencionado acima, são capazes de atuar em ambas as direções: ou convertendo a energia eletromagnética em outra forma, ou vice-versa. Essa “outra” forma pode ser não só mecânica, mas também térmica, magnética, química e também eletromagnética, mas com características diferentes. Por exemplo, são conhecidos multiplicadores de radiofrequência baseados em MEMS.

Apesar de toda a semelhança externa dos sistemas MEMS com “seixos inteligentes” – demonstradores de protótipos do futuro, algum dia, no dia depois de amanhã, “partículas inteligentes de poeira”, partículas de matéria programável – ainda há uma diferença conceitual entre eles. Os desenvolvedores de dispositivos microeletromecânicos concentraram-se principalmente na primeira raiz deste termo composto, o “micro”: eles, começando com Harvey Nathanson, fizeram todos os esforços para projetar suas unidades desde o início para serem miniaturas e, além disso, prontas para uso em massa. produção em grandes lotes, exatamente como os chips semicondutores clássicos.

Assim como na ferradura de uma pulga de Leskov, o trabalho mais delicado eram os pregos para fixação da ferradura, e nos espelhos MEMS os nós mais delicados são os nanoloops que garantem a rotação da placa reflexiva (fonte: Sandia)

A abordagem típica dos criadores de “seixos inteligentes” – “equiparemos um gadget do tamanho de um centímetro com muitos sistemas macroscópicos, obteremos uma bolsa e depois pensaremos em como compactar todo esse complexo em escala nanoescala” – é atípico no caso de MEMS: há imediatamente um foco em uma solução de fluxo aplicada a tarefas comerciais. Por esta razão, muitos investigadores tendem a utilizar o termo “MEMS” não tanto para os microdispositivos em si, mas sim para as tecnologias estabelecidas para a sua produção. Tecnologias graças às quais os produtos acabados (contornando a fase de um demonstrador divertido, mas na prática inútil) estão imediatamente prontos para serem úteis, se pagam – e, devido aos lucros recebidos, permitem que os desenvolvedores trabalhem na direção escolhida e além.

Richard P. Feynman, um dos luminares da física experimental do século 20, em 1959, falando perante a American Physical Society na Caltech, ofereceu um prêmio de US$ 1.000 à primeira pessoa que produzisse um motor elétrico funcional que ocupasse não mais do que 1/64 de polegada cúbica. Estritamente falando, ainda é difícil montar tal dispositivo usando o método tradicional – fabricando as micropeças necessárias separadamente e depois conectando-as em uma unidade de trabalho – se não for impossível em princípio, então proibitivamente caro e trabalhoso. Mas graças ao MEMS, criar um motor semelhante, e não apenas um, mas uma placa em branco completa de seus clones, em uma máquina fotolitográfica é uma tarefa totalmente realizável e, além disso, implementada regularmente.

Motor MEMS comercialmente disponível com acionamento eletrostático (fonte: MNX)

Na verdade, a invenção de um método para produção em massa de transistores com porta ressonante na segunda metade da década de 1960 marcou o nascimento de toda uma indústria de engenharia e manufatura – microusinagem de superfície, que é um pouco diferente da microusinagem em massa – a base do semicondutor fotolitografia. No segundo caso, a placa de base é recoberta por uma camada de fotorresistente, exposta através de uma máscara, fragmentos desnecessários da substância fotossensível são lavados e sulcos de certa profundidade são gravados nas áreas abertas esquerdas, ou seja, movem-se mais profundamente na substância substrato. A tecnologia MEMS, por outro lado, envolve o crescimento seletivo sequencial em vez da remoção de camadas: um material é aplicado na peça (que, aliás, não precisa ser silício), submetido ao ataque nos locais certos (úmido – com ácido – ou seco, usando bombardeio de plasma/íon). Após o processamento, a superfície é recoberta por uma nova camada, sobre a qual são formados outros elementos estruturais por meio de uma máscara diferente – e assim sucessivamente, se necessário, até cem níveis de altura. O resultado são estruturas mecânicas complexas – vigas cantilever, engrenagens em eixos que podem girar, válvulas e muito mais.

Nos últimos anos, uma direção alternativa da tecnologia MEMS vem se desenvolvendo – a criação de dispositivos microeletromecânicos usando métodos aditivos usando impressoras 3D. Assim, na Universidade Estadual Mexicana de Morelos (Universidad Autónoma del Estado de Morelos, UAEM), uma micropinça piezoelétrica foi fabricada desta forma para segurar objetos com tamanho característico inferior a 500 mícrons e massa inferior a 1,4 g. , é claro, ainda não é um manipulador totalmente funcional para montagem automatizada de nanomáquinas por micromáquinas, mas tais dispositivos já possuem uma série de aplicações científicas (e até médicas). É claro que a produção aditiva, pela sua própria natureza, não pode ser produzida em massa. No entanto, tendo em conta quanto tempo leva para aplicar camadas sequencialmente a uma placa de peça numa litografia, expô-las, lavá-las, gravá-las, etc., pelo menos para lotes de pequena escala, a impressão 3D MEMS pode ser uma solução completamente adequada. .

Representação esquemática, princípio de funcionamento e microfoto de um dispositivo de captura MEMS (fonte: UAEM)

⇡#De ouvido, com folhas

A equipe de desenvolvedores do próximo microfone ultraeficiente da Universidade de Strathclyde, em Glasgow, na Escócia, contou com a impressão 3D. Um grupo liderado por Andrew Reid interessou-se pelo órgão timpânico da mariposa, que é semelhante ao tímpano dos animais superiores, mas é extremamente sensível. Com tamanho característico de cerca de 0,5 mm, esse órgão permite à mariposa determinar com invejável precisão a direção do som em uma determinada faixa de frequência, e o inseto está mais “interessado”, claro, nos ultrassons emitidos por seus principais lutadores – morcegos. Os melhores detectores de som omnidirecionais específicos de frequência feitos pelo homem (usados, por exemplo, pela polícia para determinar instantaneamente de onde veio um tiro repentino) com características semelhantes chegam a meio metro de tamanho. Depois de testar várias opções de fabricação de MEMS com diferentes materiais piezoelétricos, os pesquisadores perceberam que esses tipos de processos de fabricação careciam da elasticidade e da variabilidade estrutural características de uma membrana biológica.

Como resultado, o grupo de Reid optou pela impressão 3D, o que permitiu superar as limitações tecnológicas de uma forma bastante engenhosa. Em um polímero tipo borracha, principal material consumível de uma impressora 3D, foi dissolvido o metanol, que não interage mais com a mesma borracha sintética que não está em sua fase líquida. Durante o processo de impressão, o polímero endurece e as moléculas de metanol nele contidas se acumulam em microgotículas, formando assim poros em toda a espessura (pequena, é claro) da amostra acabada. Devido à estrutura porosa e significativamente heterogênea da membrana sintética assim obtida, os elementos piezoelétricos nela integrados – cristais de óxido de perovskita – são capazes de posicionar com precisão a direção do movimento da onda sonora em uma determinada faixa de frequência (enquanto ondas que são muito diferentes em frequência são amortecidos, espalhando-se nos poros), que a membrana que os capta transforma em uma onda de tensão/compressão mecânica. Uma vantagem significativa deste tipo de detector eletromecânico seletivo de som é que o “corte” da parte alvo do espectro acústico é feito de forma analógica, sem exigir o uso de poder computacional e sem criar atrasos de sinal.

Explicação gráfica do princípio de transformar quase qualquer superfície em uma superfície de toque usando um microfone MEMS (fonte: Universidade de Michigan)

No entanto, a produção clássica de streaming MEMS é bastante adequada para resolver problemas relacionados à captura de som clara e detalhada. Quanto mais as telas interativas ao nosso redor se tornam, maiores são suas diagonais (e hoje, depois dos smartphones com matrizes OLED dobráveis, aparecem laptops de design semelhante), mais agudamente as pessoas que digitam texto com frequência percebem que colocar o teclado diretamente na mesma tela em que o texto aparece – não é uma opção ergonômica ideal. Mas carregar um teclado de hardware com você o tempo todo também é inconveniente, e é por isso que curiosidades como um teclado de projeção a laser ou um painel de teclado de toque removível aparecem de vez em quando. Alanson Sample e colegas da Universidade de Michigan em Ann Arbor propuseram uma maneira original de transformar quase qualquer superfície em uma zona de entrada sensorial usando ondas acústicas de superfície. Para fazer isso, eles usaram sensores de som hermeticamente selados relativamente grandes (2,65 × 3,50 mm) (unidades de captação de voz, VPU), que geralmente são usados ​​​​em fones de ouvido e recebem o som que se propaga dentro da cabeça do locutor – das cordas vocais até o ouvido interno. As VPUs são produzidas em massa usando a tecnologia MEMS – portanto, neste caso, nem tivemos que inventar nada no nível do hardware; bastou desenvolver um software para analisar e interpretar os sons percebidos pelo sensor.

Apenas uma VPU, integrada na perna de suporte de um laptop durante o teste do conceito proposto, foi suficiente para capturar os movimentos dos dedos do usuário em uma mesa próxima – interpretando-os com 97% de precisão como comandos gestuais para rolar uma página web, duplo -clique em um botão e etc. Dois desses sensores, após calibração adequada, certamente permitirão que você digite com segurança texto em um teclado impresso, por exemplo, em um pedaço de papel – ou mesmo representado em tinta/bordado na manga de uma jaqueta ou, digamos, a aba de uma bolsa. A rigidez da superfície, como os testes demonstraram, não é uma condição estritamente necessária para o funcionamento adequado dos sensores MEMS, o que significa que a amplitude de possibilidades de implementação de painéis de controlo tácteis é agora limitada apenas pela imaginação dos engenheiros que os projectam.

Microfone MEMS típico pronto para uso; lápis – para escala (fonte: VesperMEMS)

Quase uma década atrás, os pesquisadores do IEEE previram que, num futuro próximo, os sensores ultrassônicos MEMS transformariam literalmente o paradigma geralmente aceito para controlar dispositivos digitais, pois permitiriam que os menores movimentos das mãos do operador fossem capturados e interpretados com precisão. Os argumentos eram bastante sólidos: na verdade, estalar os dedos para começar a tocar música é muito mais fácil do que dizer “Siri, ligue a música”, e levantar dez centímetros a palma da mão dobrada perpendicularmente ao antebraço é mais fácil do que dizer “Alexa, aumente o volume!” Gestos que são percebidos adequadamente por sensores ultrassônicos de alta sensibilidade não estão vinculados a interfaces mecânicas (botões) ou táteis (touchscreen) e, portanto, devem proporcionar maior conforto ao usuário. E quão mais fácil será operar objetos virtuais em mundos AR/VR se, em vez de controladores com botões pressionados essencialmente às cegas, você simplesmente usar suas próprias mãos! Ao mesmo tempo, usar sensores ultrassônicos para reconhecer gestos é mais econômico do que câmeras de vídeo, e nem todos os usuários de dispositivos equipados com câmeras não comutáveis ​​gostam da sensação da presença constante do “Big Brother”, mesmo que seja digital.

Um microfone capacitivo clássico (por assim dizer) consiste em um par de placas condensadoras separadas por um entreferro – geralmente de pelo menos 1 mícron. A placa externa, o eletrodo, é fixada em uma membrana de silicone: são as vibrações físicas do capacitor resultante que o circuito conectado converte em sinais elétricos. Aliás, o mesmo aparelho também pode atuar como alto-falante se a corrente alternada fornecida às suas entradas começar a vibrar a membrana, gerando ondas sonoras – justamente porque, como já observamos, tais sistemas são mais frequentemente chamados de não receptores de som. (microfones) e não por geradores de som (alto-falantes), mas por conversores acústicos (transdutores).

Circuitos de transdutores de ultrassom capacitivos e MEMS; Veja o texto para explicação (fonte: IEEE Spectrum)

Um conversor MEMS, diferentemente de um capacitivo, pode ser facilmente fabricado pelo método fotolitográfico justamente porque em seu projeto não há entreferro entre as camadas adjacentes à membrana. O dispositivo utiliza o efeito piezoelétrico inverso para emitir ultrassom – normalmente na faixa de 40-200 kHz, o que é ideal para propagação de ondas acústicas em distâncias de cerca de 1 m sem dispersão significativa. Para gerar ondas de frequência tão alta (e amplitude considerável – caso contrário, o receptor terá dificuldade em captar seus reflexos de objetos no ruído de fundo), a membrana precisa vibrar com uma oscilação de mais de 1 mícron. Um transdutor capacitivo não é adequado aqui simplesmente porque a faixa de oscilações disponíveis para sua membrana é fisicamente limitada pela placa traseira do capacitor, enquanto um dispositivo MEMS piezoelétrico não tem essa desvantagem. Para implementar esse tipo de transdutor acústico, foi necessário desenvolver uma tecnologia de produção de filmes piezoelétricos finos por deposição de vapores da substância que os forma – e em meados da década de 2010 ela já havia aparecido.

Os transdutores MEMS ultrassônicos piezoelétricos (transdutor ultrassônico piezoelétrico microusinado, PMUT) encontram muitas aplicações hoje e, embora ainda não tenham conseguido substituir as interfaces usuais para interação com sistemas de computação (incluindo voz), pode ser que o progresso na direção de AR/ VR promoverá sua distribuição mais ampla.

⇡#Sólido útil

Lidars – dispositivos que examinam o ambiente como um radar, mas usando comprimentos de onda mais curtos (geralmente infravermelho) – podem ser encontrados em todos os lugares hoje, desde aspiradores robóticos a veículos elétricos com pilotos automáticos de nível 3 até detecção aérea de incêndios florestais. O design clássico do lidar copiou em grande parte o princípio de funcionamento do próprio radar: para que o feixe de um laser montado na instalação pudesse “sondar” o entorno, ele foi redirecionado da maneira necessária por um sistema óptico com espelhos móveis. Para objetos macro, esse método não é ruim, embora seja bastante caro, mas e se você precisar equipar um dispositivo em miniatura com um lidar? Reduzir a rotação mecânica dos espelhos representará um desafio de engenharia significativo.

Uma superfície lidar MEMS coberta com interruptores de plano focal, sob a “lente” de um microscópio eletrônico de varredura (fonte: Universidade da Califórnia)

Como seria de esperar, as tecnologias MEMS vieram em auxílio dos desenvolvedores de mini-lidar: ainda em 2022, pesquisadores liderados por Ming Wu, da famosa Universidade da Califórnia em Berkeley, propuseram um lidar baseado em uma série de interruptores de plano focal (focal- switches planos). switch array), uma espécie de análogo de um conjunto de antenas de rádio em fase – apenas para as faixas ópticas e de comprimento de onda próximas a ele. Em vez de usar, por exemplo, microespelhos para refletir novamente um feixe de laser, cada célula desse conjunto de interruptores (que, aliás, não contém uma única parte móvel – mesmo com amplitudes de deslocamento de mícrons, como pequenos espelhos em um DLP matriz) altera a fase da luz que passa por ela. fluxo luminoso de uma determinada maneira. Como resultado, o feixe de laser resultante, devido ao fenômeno de interferência, muda de direção por si só, sem quaisquer espelhos ou guias de luz flexíveis, varrendo o espaço – exatamente da mesma forma que um feixe de rádio de uma antena phased array faz. Esse chamado lidar de estado sólido, contendo 16.384 pixels (em uma matriz de 128 × 128), ocupa uma área bastante pequena – 110 mm2 – e é, obviamente, fabricado com tecnologia MEMS. Com campo de visão de aproximadamente 70°, o aparelho fornece resolução de aproximadamente 1,7 cm a uma distância de 10 m, varrendo a área na frequência de 100 kHz. Os planos futuros dos pesquisadores de Berkeley são reduzir o tamanho de uma célula individual do chip lidar dos atuais 55 × 55 μm para 10 × 10 μm e aumentar o número de pixels no mesmo chip para 1 milhão.

No entanto, não há fim para o escopo de trabalho das tecnologias MEMS na faixa de rádio. Quase todos os dispositivos digitais modernos com funcionalidade de rádio – sejam modems celulares, adaptadores Wi-Fi, ZigBee ou qualquer outro – não operam no mesmo comprimento de onda e, além disso, devem ser capazes de alternar rapidamente entre diferentes faixas de frequência. Para rotear sinais de radiofrequência entre vários caminhos disponíveis, são usados ​​​​comutadores de RF, a lista de requisitos que os engenheiros têm é bastante grande: é resistência mínima, quase zero no modo “Ligado” e bloqueio virtualmente completo do sinal de passagem em o modo “Desligado” .”, e dimensões em miniatura, e durabilidade funcional (um número significativo de ciclos de operação), e simplicidade/barato de produção… Sim; e, claro, prontidão para trabalhar com sinais de alta frequência de até centenas de gigahertz com distorção zero. Exija, exija!

Sob o quadrado preto no centro da placa estão seis interruptores RF MEMS, cada um dos quais fecha/abre seu próprio par de contatos (fonte: Menlo Micro)

Antes da era da microeletrônica, todos esses requisitos eram atendidos imediatamente (exceto talvez pelo tamanho em miniatura) por interruptores de relé eletromecânicos: o contato é montado em um balancim com mola, sob o qual um eletroímã está localizado; quando a corrente é aplicada, o ímã atrai o balancim e o contato fecha o circuito; não há corrente – ela abre. As tecnologias MEMS permitem reproduzir a mesma abordagem simples e confiável no nível micro: a aplicação de tensão a um circuito em miniatura cria um campo eletrostático que atrai um balancim com um contato e o circuito é fechado. Na verdade, a principal tarefa de engenharia no desenvolvimento de interruptores de rádio MEMS (interruptor RF MEMS) é a seleção de um metal ou liga que suportaria bilhões de ciclos de flexão (já que o próprio atuador oscilante em miniatura serve como mola) e endireitamento. Os engenheiros resolvem com sucesso esse problema, o que permite que até mesmo dispositivos produzidos em massa, como smartphones ou elementos da Internet das Coisas, passem de comutadores de radiofrequência semicondutores para comutadores MEMS. E com isso obter um ganho significativo no consumo de energia, livrando-se de muitas interferências geradas pelo isolamento incompleto de outras faixas de frequência disponíveis ao escolher apenas uma com switch mais tradicional. Isto é especialmente importante para o tráfego de rádio de alta frequência em redes 5G e, num futuro não tão distante – 6G.

Para que mais a tecnologia MEMS pode ser útil? Por exemplo, para a produção de barômetros microscópicos, ou mais precisamente, sensores de pressão atmosférica. Eles operam com o mesmo princípio piezoelétrico dos transdutores acústicos e são amplamente utilizados para equipar estações meteorológicas portáteis. É possível, no entanto, ir ainda mais longe – e usar barômetros MEMS para simular vibrissas ultrassensíveis, que ajudam, em particular, predadores mamíferos a detectar movimentos silenciosos (mas ainda gerando vibrações no ar) de presas. Pesquisadores da Universidade de Queensland, em Brisbane, na Austrália, criaram esse tipo de sensor, destinado principalmente a drones ultracompactos – e não apenas voadores – que precisam de um meio simples e confiável de evitar colisões com obstáculos e entre si (ao operar como parte de um enxame).

Um passo simples e engenhoso – adicionar uma antena de plástico a um barômetro MEMS – aumentou várias vezes a sensibilidade dos sensores de pressão do ar (fonte: Universidade de Queensland)

Equipar cada um desses drones com uma câmera de vídeo ou mesmo um sensor ultrassônico, que exige posterior análise e interpretação dos dados recebidos, ou seja, um certo poder computacional, significa limitar deliberadamente as dimensões do drone por baixo em pelo menos dezenas de milímetros. Engenheiros australianos pegaram barômetros MEMS comerciais simples e anexaram uma vibrissa artificial a cada um deles – um fio endurecido feito de plástico ABS pré-derretido. O design é o mais trivial e extremamente barato – mas a sensibilidade à força dos sensores reforçados com essas “antenas” saltou instantaneamente para 3,3 µN. Isso significa que, segurando o sensor recém-inventado com o braço estendido, o experimentador é capaz de usá-lo para sentir o movimento do ar criado por sua própria respiração. Então é uma questão de tecnologia: um circuito elétrico que redefine a velocidade do micromotor do drone quando um sinal de nível perigosamente alto é recebido de um barômetro MEMS apontado ao longo de seu movimento não é nada difícil de implementar, e isso aumentará a segurança de um dispositivo autônomo em miniatura da maneira mais significativa. Além disso, um robô equipado com vibrissas artificiais evitará com igual sucesso colisões à luz e no escuro, em uma sala empoeirada e cheia de gás, o que amplia significativamente o escopo potencial de sua aplicação.

⇡#Cobrar!

É claro que a questão permanece: onde esses mesmos microdrones obterão energia para se moverem? A tecnologia MEMS também fornece a resposta para isso: há vários anos, cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio vêm desenvolvendo coletores vibratórios de energia de eletreto baseados nela. Na verdade, três métodos principais são conhecidos há muito tempo para converter energia de vibração mecânica em energia elétrica: eletromagnética, eletrostática e piezoelétrica. Os pesquisadores japoneses confiaram na eletrostática, pois para oscilações de baixa frequência a eficiência desse método é em média maior do que os outros dois. A novidade fundamental de sua abordagem reside na separação de um capacitor variável e um dispositivo de armazenamento de eletreto em substratos adjacentes (e, consequentemente, na produção separada nesses substratos) – enquanto dispositivos MEMS anteriormente semelhantes eram feitos em um único chip. A base de todo o projeto, neste caso, é um eletreto – de certa forma um análogo de um ímã permanente, mas aplicado à interação elétrica: tal material é capaz de reter uma carga elétrica por um longo tempo depois de acumulá-la enquanto estiver em um campo elétrico.

O princípio de funcionamento de um dispositivo de armazenamento de energia de eletreto: tradicional (esquerda) e chiplet proposto por engenheiros japoneses (fonte: Tokyo Tech)

A placa de eletreto neste desenvolvimento de Yamane Daisuke e colegas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) é usada no próprio armazenamento de carga, enquanto o movimento das partículas carregadas é criado em um capacitor variável. Este último é formado por eletrodos fixos e móveis, e o móvel – com mola – também é criado com a tecnologia MEMS: na verdade, reage fisicamente às vibrações de toda a estrutura. Dois eletrodos (um dos quais se move de vez em quando, alterando a capacitância efetiva de sua unidade) formam um capacitor variável, no qual o eletrodo fixo é conectado a uma das placas de armazenamento externas adjacentes ao eletreto, e o eletrodo móvel é conectado através da carga útil para o outro.

O princípio de funcionamento do dispositivo é simples: se durante o movimento do eletrodo móvel a capacitância do capacitor variável for superior à do acumulador de eletreto, as cargas começam a se mover e são coletadas no primeiro. Se a capacitância do capacitor variável for menor, as cargas fluem na direção oposta – para o armazenamento de eletreto. Como resultado, uma corrente alternada passa pela carga útil – e muito mais forte do que se um dispositivo de armazenamento de eletreto e um capacitor variável fossem formados usando a tecnologia MEMS da maneira clássica em um único substrato. A razão é que os processos tecnológicos para a fabricação de ambos em uma única placa bruta devem ser compatíveis, e isso limita significativamente a escolha de um material de eletreto eficaz. Usar, em essência, uma abordagem de chiplet libera as mãos dos engenheiros nesse sentido.

Interruptores nanoeletromecânicos em um circuito elétrico, vista superior (fonte: Universidade da Califórnia)

Os dispositivos MEMS, aliás, precisam de energia tanto mais que dependem de estruturas clássicas de semicondutores para organizar os cálculos necessários durante suas atividades, mesmo as mais simples. Os transistores são dispositivos que consomem bastante energia: na escala micro e especialmente nanométrica, os interruptores mecânicos (nos quais, por exemplo, a hipotética “lógica de haste” de Drexler é construída) revelam-se muito mais econômicos. Em um dos laboratórios da Universidade da Califórnia em Berkeley, sob a liderança do professor Tsu-Jae King Liu, foi criada uma chave nanoeletromecânica, não uma micro, mas uma chave nanoeletromecânica, cuja ativação requer uma tensão de apenas 50 mV – cerca de 15 vezes menos do que para garantir a operação de um transistor de tamanho comparável (embora o sistema mecânico opere 2-3 ordens de magnitude mais lento). Além disso, para ativar um transistor CMOS, é necessário aplicar uma tensão não inferior a um limite estritamente definido. Quanto menor o sistema de computação semicondutor, mais perigosamente sua tensão operacional se aproxima desse limite vindo de cima, o que provoca vazamento espontâneo de cargas através de uma porta aparentemente bem fechada – e, assim, aumenta ainda mais o consumo de energia.

O switch NEMS (N, nano, em vez de M, micro) é uma plataforma de metal fina, quase quadrada, sobre um substrato de mola. A tensão aplicada atrai a plataforma para a base, fechando os contatos adequados por baixo – e a corrente flui através desta seção do circuito. Basta retirar a tensão para que a mola retorne a plataforma ao estado inativo e a corrente pare. Apesar da aparente trivialidade da ideia, não é tão fácil implementá-la em escala nanométrica (a profundidade da plataforma não excede 50 nm), e mesmo durante um processo de produção litográfica em massa. Em 2013, com base nos primeiros protótipos de switches NEMS, que naquela fase de desenvolvimento ainda pertenciam, estritamente falando, ao MEMS, foi implementado um somador de 32 bits – e na última década, progressos significativos nesta direção (pelo menos de acordo com selo aberto dos materiais) não é visível. Mas há progresso em um caminho paralelo, por assim dizer – na criação de nanointerruptores baseados em materiais com transição de fase.

Aliás, se esse chocolate derreter devido ao armazenamento inadequado, a microestrutura de sua superfície entrará em colapso, o que proporciona um controle de qualidade objetivo e quase gratuito do produto (fonte: ETH Zurich)

Porém, se falamos em repor as reservas de energia, então há uma aplicação muito mais apetitosa para os produtos MEMS do ponto de vista do público em geral, nomeadamente, “colorir” (mais precisamente, alterar as propriedades da superfície) de uma barra de chocolate para que que brilha com todas as cores do arco-íris, como a asa de uma borboleta tropical. Na verdade, o método aqui utilizado é o mesmo que a natureza escolheu para o caso das borboletas – coloração estrutural devido à interferência de ondas de luz refletidas em superfícies com micro ou nanoestrutura ordenada. A fotolitografia, usada para criar MEMS, é excelente para formar tais superfícies, e o chocolate, devido à sua plasticidade, está pronto para formar saliências e depressões de dezenas e centenas de nanômetros – se ao menos um molde apropriado para fundição fosse feito. Este é exatamente o formulário que pesquisadores da ETH Zurique desenvolveram no final de 2019, aproveitando a experiência no desenvolvimento de dispositivos MEMS seriais para a empresa fabricante AMFitzgerald. A principal vantagem do ponto de vista do consumidor é a ausência de corantes para obter um efeito tão cativante e impressionante. Usando o mesmo princípio, você pode “pintar” as superfícies de outros objetos do cotidiano, não necessariamente feitos de chocolate; no entanto, tal atividade não dará um impulso sério ao desenvolvimento das tecnologias MEMS: as alturas já alcançadas por ela são suficientes aqui.

⇡#Alcance o futuro

Para fabricar dispositivos usando a tecnologia MEMS, uma gama bastante ampla de materiais pode ser usada – o que, por sua vez, abre oportunidades para pesquisadores nas quais eles às vezes não pensavam inicialmente. Um exemplo claro disso é um nanodispositivo transformador, cujo protótipo de demonstração foi acidentalmente recebido em seu laboratório por Javier Sanchez-Yamagishi e colegas da Universidade da Califórnia em Irvine. Anteriormente, os sistemas MEMS podiam incluir partes móveis – apenas essas estruturas dinâmicas eram formadas por uma cópia bastante direta de seus análogos macroscópicos: uma engrenagem em um eixo, um balancim em um suporte, etc. da estrutura em estudo: eles simplesmente colocaram dois contatos de ouro sobre um substrato de material van der Waals (composto pelos mais finos filmes de grafite, nitreto de boro hexagonal e outras estruturas semelhantes com redes atômicas planas, que são mantidas juntas devido às forças dipolo de interação interatômica/intermolecular; na verdade, van der Waals).

A aplicação de uma voltagem aos eletrodos de ouro faz com que eles se movam através do substrato do filme van der Waals (fonte: Universidade da Califórnia, Irvine)

As ligações que surgem entre moléculas e/ou átomos devido às forças de van der Waals estão entre as mais fracas em todo o espectro de interações químicas. Por esta razão, dois filmes ultrafinos (de preferência com exatamente um átomo de espessura, chamados bidimensionais) com uma configuração dipolo adequada, dobrados juntos, são fortemente atraídos um pelo outro devido à grande área de interação. Mas um objeto de terceiros que entre em contato com esse sanduíche em uma área relativamente pequena deslizará ao longo de sua superfície com resistência mínima (fricção). Foi esse efeito que se manifestou quando o grupo Sanchez-Yamagishi colocou contatos de ouro de largura nanométrica com fios conectados a eles em um substrato de filmes de van der Waals. Dependendo se cargas opostas ou semelhantes se acumulavam em contatos quase tocantes, a energia do campo elétrico era convertida em energia mecânica – e os contatos eram atraídos fisicamente um pelo outro (deslizando ao longo do substrato de van der Waals quase sem resistência e puxando o nanofios conectados a eles) ou repelidos.

O efeito descoberto abre a possibilidade de criar MEMS não micro, mas nanométricos (o mesmo NEMS), capazes de reconfiguração dinâmica – alterando a posição relativa de suas partes sob a influência de sinais de controle. Os pesquisadores estão atualmente trabalhando (sua publicação data de abril de 2023) para reduzir ainda mais o atrito na camada de “lubrificante seco” de van der Waals, minimizando a energia necessária para reconfigurar sistemas microeletromecânicos. Será possível, em última análise, abordar a criação de uma verdadeira “poeira inteligente” desta forma? É muito cedo para falar sobre isso com certeza, mas essa direção certamente merece atenção.

Outra abordagem – e talvez ainda mais inesperada – ao tema dos sistemas micromecânicos foi demonstrada pelos vencedores do Prémio Ig Nobel de 2023 na área da engenharia mecânica, que identificaram não apenas um ramo totalmente novo da engenharia: a necrobótica, ou seja, o uso de seres biológicos outrora vivos (ou seus fragmentos) para criar sistemas robóticos. A rigor, a humanidade há muito pratica o uso de pontas de osso para flechas e lanças, e fabrica cordas de arco a partir de veias, por exemplo, mas até muito recentemente limitava-se à exploração manual de material biológico obtido de animais mortos. Uma equipe de autoproclamados pioneiros da necrobiótica propôs usar aranhas previamente mortas por congelamento como garras pneumáticas microscópicas robóticas – modestas em tamanho e peso, mas com uma força de retenção muito sólida.

Micrograb necrobiótico faça você mesmo! (Fonte: Avanços da Ciência)

As pinças MEMS eletromecânicas ou piezoelétricas (como a desenvolvida por pesquisadores da UAEM, citada no início deste material) em sua maioria copiam seus protótipos macroscópicos: na posição inicial são abertas, e para unir os elementos de fixação e Para realmente agarrar um objeto, é necessário aplicar uma força externa – devido a um micromotor, elemento piezoelétrico ou outro dispositivo. Os membros da aranha, ao contrário, no estado inicial (relaxado) são unidos – devido a membranas elásticas e fortes especiais na articulação femoropatelar (entre a “coxa” e a “tíbia”, grosso modo – esperemos que os entomologistas ler este artigo não vai gritar de raiva justa, vendo tal simplificação). Os ganhadores do Ig Nobel inseriram uma agulha no cefalotórax de uma aranha sacrificada, fixaram e ao mesmo tempo selaram a conexão com uma gota de cola – e assim, em essência, transformaram o corpo do artrópode em uma pinça adequada para controlar um robô.

Basta aumentar a pressão interna no corpo da aranha através de um pistão conectado a uma agulha e os membros se abrirão. Imediatamente após a liberação da pressão, as membranas femoropatelares tentarão retornar as pernas à sua posição original – como resultado, um objeto colocado entre os membros será agarrado. Na verdade, uma aranha viva endireita seus membros exatamente da mesma maneira – aumentando a pressão (não de ar, mas de fluidos internos) no cefalotórax, e de forma alguma por meio de esforço muscular. A pinça pneumática necrobiótica foi capaz de segurar objetos com massa 30% maior que a sua, demonstrou força de compressão máxima de 0,35 mN e realizou mais de 700 ciclos de abertura-compressão antes que surgissem os primeiros sinais de desgaste crítico. Um grupo de engenheiros inventivos tem feito experiências com aranhas-lobo (família Lycosidae), que estão espalhadas por todo o mundo, exceto na Antártica, portanto, se sua abordagem encontrar muitos seguidores, o problema não será o material.

Um loop MEMS giratório, cuja mudança na tensão das molas leva a um desvio do plano horizontal do microespelho – sua borda é visível à direita (fonte: Bacteria-World)

No entanto, dificilmente se deve contar com a integração orgânica dos necrobióticos recém-descobertos na estrutura da microeletromecânica como disciplina de engenharia. Pelo contrário, o caminho inesperado indicado pelos laureados com o Ig Nobel irá encorajar outros investigadores na área dos MEMS a procurar soluções técnicas inusitadas – tanto para a implementação de micro-pinças como para a criação de outros elementos de máquinas em miniatura. Afinal, a imitação de designs que surgiram nos seres vivos ao longo da evolução é uma das principais direções do progresso técnico.

Sim, aviões e helicópteros não usam exatamente os mesmos propulsores de volante que pássaros e morcegos, por exemplo, mas a observação de criaturas voadoras deu um certo impulso ao desenvolvimento da aviação. Da mesma forma, os artrópodes microscópicos – não apenas aranhas, mas também carrapatos e tardígrados (embora estes últimos estejam relacionados apenas aos verdadeiros artrópodes) – são perfeitamente capazes de inspirar os desenvolvedores de MEMS com novas ideias para a criação de máquinas ultracompactas capazes de movimento autônomo e realizando tarefas bastante complexas. Não se pode descartar que é nesse caminho que um dia será encontrada uma maneira de criar poeira verdadeiramente inteligente, mas isso ainda é uma questão de um futuro bastante distante.

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