Планарные транспортно-процессинговые устройства

Основные производственные мощности живой природы – это эпителиальные структуры. Не пора ли нам присмотреться к ним, как к прообразам будущих технологий?

Искусственный эпителий. Шаг к фантастике.

Живая природа весьма эффективно использует перенос вещества вдоль поверхностей раздела двух сред. Эта способность в литературе описывается просто: «обеспечение направленного тока жидкости и плотных тел эпителиальными тканями». Однако за простотой скрывается одно из величайших изобретений природы.

Удивительные, до сих пор не познанные достижения планарного (плоскостного) перемещения всевозможных объектов эпителиальными структурами оказались возможными, главным образом, благодаря использованию границы двухфазных сред. Природа «научилась» решать грандиозные задачи не столько в транспортировке, сколько в обработке и синтезе объектов, имеющих, как жидкую, так и твердую структуру.

Использование границы двух сред позволяет относительно легко решать следующие технические проблемы:
— беспрепятственный подвод энергии для стимулирования движения;
— доставка необходимых веществ непосредственно к месту их применения и своевременная утилизация побочных продуктов;
— решение вопросов локального отвода и подвода тепла;
— синхронного управления распределенными в пространстве процессами;
— непрерывного контроля параметров среды в рабочих зонах.

В дальнейшем в этой работе будут обсуждаться принципы и возможности для создания аналогов эпителиальных структур на поверхностях пластин.

Помимо рассмотрения общих принципов работы искусственных эпителиальных структур, будут рассмотрены возможности их изготовления из поворотных термомеханических актюаторов на основе биморфных конструкций, выполненных в рамках планарной кремниевой технологии, с одновременным производством электронных схем управления.

Для справки: В биологии и медицине волнообразное движение волосков эпителия называется мерцательной активностью.
Первым открыл и исследовал движения мерцательного эпителия чешский биолог Пуркинье (Purkyně) Ян Эвангелиста в 1835г.
Размеры выростов эпителиальных клеток у животных и человека имеют длину 500—3000 нм, диаметр 50—100 нм.


1. Введение

В основе планарного эпителиального перемещения лежит всего два принципа:
— существование адгезии между поверхностью и перемещаемыми объектами, в крайнем случае, роль адгезии «играет» гравитация;
— перенос вещества вдоль поверхности, который инициируется посредством передачи механического движения от поверхностных выступов к  транспортируемым объектам.

Эти выступы на поверхности могут называться по-разному: пупырышки, жгутики, реснички, язычки, щетинки, волосики, иголочки, ворсинки и т.д.

http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1212236

В настоящей работе чаще всего будут использоваться термины: волоски, микроволоски ( mikrovillus).

Не вникая в физические и химические способы движения эпителиальных биологических устройств, укажем на то, что главным элементом в них является отдельная ячейка, состоящей из поверхности — основы и закрепленного на ней волоска, который периодически совершает движение.
Из множества таких ячеек состоит вся поверхность эпителия.

Для абстрактного описания движения таких микросистем введем некоторую терминологию, которая исходит более всего из геометрических и энергетических оснований.

Движение микроволоска можно разложить на три основные фазы:
— доминирование;
— релаксация;
— латентность.

Доминирование.
Усилия по перемещению объектов создаются доминирующими микроволосками.
Это именно те микроволоски, из всех имеющихся, которые создают в данный момент времени усилие для перемещения микрообъекта примыкающего к  поверхности. Доминирующие волоски передают непосредственно перемещаемому объекту толкательное усилие и совершая работу по его перемещению.

Доминирование может достигаться различными способами: либо механическим выдвижением микроволоска относительно основы, либо его маховым движением в направлении толчка, либо подъемом основы вместе с  волоском. Так же это может осуществляться путем опускания основы под микроволоском с образованием микроскладки, а в некоторых случаях, сокращением волоска и его опуском относительно находящихся в латентном состоянии волосков, его пригибанием или «втягиванием» в основу.

Важно лишь то, что доминирующие, это именно те микроволоски, которые совершают работу и затрачивают энергию для осуществления механического движения.


Релаксация.
Фаза релаксации позволяет вернуть в исходное состояние закончившие доминировать волоски, произвести «зарядку» их движущих механизмов, завершить цикл подготовки микроволосков для следующей фазы доминирования.

Латентность.
По смыслу, это фаза готовности к действию, т.е. фаза ожидания перехода в доминирование. Важным свойством латентности является низкий уровень энергопотребления.

Классифицировать траекторию движения микроволосков можно следующим образом:

Сдвиг – параллельное смещение микроволоска вдоль поверхности основания и упругое следование его свободного конца в том же направлении.

Вылет – перпендикулярное к поверхности движение микроволоска, ранее уже указывалось, что оно может быть как «прямым», т.е. выпячивание над поверхностью во время доминирования, так и «обратным» — пригибание относительно основы.

Поворот – вращательное (маховое) движение микроволоска относительно места его крепления на основании.

Следует заметить, что сдвиг – это движение, создающее силы параллельные к плоскости основы. Вылет – напротив, создает силы перпендикулярные плоскости. Поворот – комбинация параллельных поверхности и перпендикулярных сил, воздействующих на объекты эпителиального переноса.

Из общих рассуждений: вылет, в общем случае, не может создать движущих сил для твердых микрообъектов в направлении параллельном поверхности, если микрообъекты обладают размерами большими, чем элементарная ячейка.

Однако, для жидких каплеобразных тел, вылет может создать условия для перетекания по поверхности за счет эффектов поверхностного натяжения, а для жидких рабочих сред возможно создание волнового переноса вблизи поверхности.

Из вышесказанного следует, что для реализации эффективного планарного перемещения, как для твердых частиц, так и для жидкостей, более всего подходят поворотные микроволосковые системы, так как они сочетают в себе большие возможности по перемещению, как для жидких, так и твердых фаз транспортируемых веществ.

Искреннее восхищение многообразием и эффективностью эпителиальных структур, созданных природой, подталкивает на попытку воспроизвести подобные структуры доступными для современной технологии средствами.

Позволю себе ввести пару удобных сокращений:
— Микроволосковые системы – МВС (Microvillus systems – MVS);
— Планарно–процессинговых системы – ППС (Planar processing systems — PPS).

2. Краткое обоснование выбранного пути

Не будем досаждать читателям описаниями всех размышлений, поисков и сомнений на тему создания устройств – технических аналогов эпителия, которые, как навязчивая идея, преследовали автора в промежутке времени чуть более двадцати лет. Заметим только, что те немногие специалисты, с которыми были попытки обсуждения данной темы, чаще спрашивали: «Зачем это нужно? И так все вопросы могут быть решены без таких сложных (и дорогих) систем». Более практичные советовали: «Найди этому достойное техническое приложение, найди заказчика! Тогда задачу тебе поможем решить».

Для меня никогда не возникал вопрос: «Зачем?», я считаю, что мы просто не догадываемся, насколько сильно изменится мир технологий с  появлением таких устройств. Сегодня мы все вместе похожи на Левшу из сказки Лескова: мы можем подковать блоху, но в месяц – одну, и только на одну лапку.

Хотелось бы, с Вашим участием, уважаемые партнеры, обсудить возможные приложения и технологические приемы для достижения промышленного изготовления и применения искусственного эпителия.

Но сначала найдем ответ на вопрос: «Возможно ли это вообще?».

Итак, почему предлагается кремниевая технология?

Это возможность воспроизведения миллионов идентичных микроструктур на одной пластине.
Легкое обеспечения подвода электрической энергии к любому элементу на поверхности пластины.
Достаточно широкий диапазон рабочих температур кремниевых микроструктур – от -180 С, до +200 С.
Хорошая устойчивость для широкого спектра внешних условий.

Почему предлагается термомеханический актюатор?

Это – наиболее мощный движитель, среди прочих рассмотренных, хотя и достаточно инерционный. Простота изготовления так же говорит в пользу применимости данного актюатора.

Быть может, возможны и другие типы актюаторов – это было бы очень интересно обсудить.

Почему поворотный актюатор?

Для универсального воздействия, как на жидкие, так и на твердые вещества.

Приемлемый для реализации термомеханический актюатор был к огромной радости найден в работе: В. А. Гридчин, И. Г. Неизвестный, В. Н. Шумский. Физика микросистем. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. До тех пор ни один из рассмотренных ранее типов актюатор не имел настолько интересных технических характеристик для решения поставленной задачи.


3. Физико-механические параметры актюатора

Предлагаемый актюатор представляет собой балочку из биморфного (двухслойного) материала алюминий — поликремний, которая может нагреваться электрическим током. При нагревании балочка изгибается из-за разности термического коэффициентов расширения двух слоев, и ее незакрепленный конец движется относительно места ее крепления на подложке, – все очень просто.

Физика биморфной балочки в достаточной мере изложена в вышеуказанной работе.
Кроме тех соотношений, которые в этой работе получены, в дальнейшем неплохо получить оценку таким параметрам как:
 — силы движения балочки, в зависимости от геометрических параметров и различных температур;
— частотные характеристики элемента;
— КПД системы при переносе различных сред,
— среднее время наработки одного элемента на отказ.
Пока эти оценки не произведены.

В механическом смысле задача полностью описывается следующей моделью – эпюрой:

Рисунок 3.1. Эпюра нагрузки балочки.

Где q – распределенная весовая нагрузка, F – сила, создаваемая микроволоском, М – изгибающий момент, порождаемый биморфной структурой.

Анализ такой механической системы приведен в учебниках по сопротивлению материалов.


4. Геометрия микроволоскового актюатора

Остановимся на геометрическом аспекте движения балочки вместе с микроволоском, закрепленным на ее конце.

Рассмотрим балочку l (длиной l), защемленную на конце в точке В, Рис. 2.1. На конце балочки, перпендикулярно к ней, закреплен «волосок» длиной m.
Будем считать, что балочка представляет собой биморфную пластину, кривизна которой (радиус r) определяется температурой. Однако, в нашей геометрической задаче причина искривления балочки несущественна.
Длины балочки и волоска принимаем неизменными.
Работа системы заключается в изгибе балочки l и смещении кончика микроволоска из точки А в точку А’.
Существенными для дальнейшего анализа являются величины перемещений: вылета d и сдвига c, которые мы попытаемся «вычислить».

Рисунок 4.1. Схема движения биморфной балочки с микроволоском.

В вылет кончика микроволоска:

d = r (1-cos(α)) + m cos(α) — m.

Сдвиг вдоль поверхности кончика микроволоска:

c = l – r sin(α) + m sin(α).

где α = l/r угол сектора, m — длина микроволоска, r — радиус изгиба балочки, l — длина балочки.

Расчеты проведем в относительных величинах, принимая l = 1.

Рассмотрим величины микроволосков m трех размеров в относительных величинах: 0, ½ l, 1l.

Считаем, что интересующие нас диапазоны радиуса изгиба r балочки лежат в пределах:
l ≤ r ≤ 10l.

Результаты расчетов представлены в Таблице 2.1 и, для наглядности, на Рис.2.2 и Рис2.3.

Таблица 4.1. Зависимости выдвижения и сдвига микроволоска от радиуса изгиба балочки и длины микроволоска.

m = 0 m = 1/2l m =l
l/r d c d c d c
1,0 0,460 0,159 0,230 0,579 0,000 1,000
0,9 0,420 0,130 0,231 0,521 0,042 0,913
0,8 0,379 0,103 0,227 0,462 0,076 0,821
0,7 0,336 0,080 0,218 0,402 0,101 0,724
0,6 0,291 0,059 0,204 0,341 0,116 0,624
0,5 0,245 0,041 0,184 0,281 0,122 0,521
0,4 0,197 0,026 0,158 0,221 0,118 0,416
0,3 0,149 0,015 0,127 0,163 0,104 0,310
0,2 0,100 0,007 0,090 0,106 0,080 0,205
0,1 0,050 0,002 0,047 0,052 0,045 0,101


Рисунок 4.2. Диаграмма относительного вылета микроволоска в зависимости от радиуса изгиба балочки и длины микроволоска.

Рисунок 4.3. Диаграмма относительного сдвига микроволоска в зависимости от радиуса изгиба балочки и длины микроволоска.


Показательно, что небольшие изгибы балочки l (l/r ≤ 0,1) не позволяют рассчитывать на значимые величины вылета и сдвига микроволоска, и, в нашем случае, не имеют прикладного значения.

Диаграммы демонстрируют возможность управления соотношением между величинами вылета и сдвига относительно поверхности путем установления длины микроволоска m, и это может существенно повлиять на двигательные свойства микроволосковой системы для различных сред и микрообъектов.

Как мы видим, система, в рассмотренном крайнем случае нулевой длины микроволоска (l = 0), позволяет получить выдвижение на 46%, и при этом сдвиг всего на 16% (относительно длины балочки l).

Так же возможно выдвижение на 0%, и при этом сдвиг на 100%, при l = m . Конечно, это выражает лишь то, что микроволосок при изгибе балочки «ложится», т.е. располагается параллельно плоскости поверхности.

Отметим, что мы не можем получить «чистое» движение вылета или смещения, но как мы собираемся воспользоваться «смешанным» движением – обсудим ниже.

5. Концепция и геометрия микроволосковых систем

Теперь, считая, что элементарная ячейка микроволоскового транспорта реализуема, попробуем при помощи нее построить планарные машины перемещения микрообъектов.

5.1. Задача движения по рабочей плоскости
Предположим, что в каждый момент времени для микрообъекта, находящегося в любой точке на рабочей плоскости, можно указать линию на этой же плоскости, пересечение которой является целью манипуляции с микрообъектом. Эту линию можно назвать «фронтом движения».

Такое понятие, как «фронт движения», вводится нами для проектирования размещения и ориентации наших микроволосковых систем (МВС) на рабочей плоскости в зависимости от задач перемещения.

Напомним, что действие микроволоскового актюатора, модель которого рассмотрена в п. 4, обладает определенной направленностью. Сила воздействия на микрообъект, производимая каждым микроволосковым элементом, будет иметь определенное направление. Поэтому, изображать каждый элемент микроволосковой системы на плоскости можно стрелкой-вектором , а фронт движения — линией.

5.2. Реверсивное движение
Расширим возможности микроволосковых систем (МВС) организацией реверсивного (обратного) движения. Для этого каждый элемент объединим с рядом расположенным противонаправленным элементом, в дальнейшем такое объединение можно называть «реверсивная пара». Плюсы от такого развития геометрии микроволосковых систем – очевидны.

Рисунок 5.1. Иллюстрация схемы произвольной микроволосковой структуры.

5.3. «Длинный шаг»
Пожалуй, главный выигрыш от этого объединения – появляется возможность передвигать микрообъекты «двойным шагом». Это может создать лучшие возможности перемещения для различных суспензий, под которыми мы будем понимать как жидкие, так и твердые микрообъекты различных размеров, а так же их всевозможные комбинации.

Суть в следующем. Мы уже упоминали о том, что вертикальные выдвижения микроволосков в целом не создают сдвиговых сил для твердых тел. Но, вообще говоря, и поворотные движения микроволосков могут просто возвращать твердые микрообъекты в исходную позицию.

Теперь, при помощи реверсивной пары, можно приподнять микрообъект и передвинуть его по направлению действия прямого элемента в фазе его доминирования, затем, не переводя прямой элемент в фазу релаксации, перевести в фазу доминирования противонаправленный элемент. Это не создаст значительного перемещения микрообъекта, т.к. он уже достаточно удален от поверхности. При этом микрообъект просто «фиксируется» на обоих элементах.

После этого имеется два варианта завершения цикла:
Первый – оба элемента одновременно переводятся в режим релаксации и опускают микрообъект на плоскость в месте его нахождения;
Второй – в режим релаксации в первую очередь переводится прямой элемент, а затем – противонаправленный (реверсивный). При этом микрообъект при опуске реверсивного элемента передвинется дальше в заданном направлении.

Второй вариант позволяет за один цикл передвинуть микрообъект в два раза дальше, поэтому будем называть первый вариант «коротким шагом», а второй — «длинным шагом».

Следует отметить, что фиксацию микрообъекта для предотвращения его отката назад можно произвести не только противонаправленным элементом, но и любым другим несоосным элементом находящимся вблизи.


5.4. Типы матриц
Проведем систематизацию возможных матриц из микроволосковых элементов.
Разделим микроволосковые системы на «полосатые матрицы» и «ячеистые матрицы».

Полосатая матрица построена из микроволосковых элементов прямо в соответствии с требуемыми фронтами движения: линиями, кривыми, окружностями и т.п. Она может быть сформирована, как из простых элементов, так и из реверсивных пар, в зависимости от назначения.

Упорядоченное движение микрообъектов возможно только по направлению, определенному заранее для каждой точки поверхности, и это направление — перпендикулярно фронту движения.

При этом элементы, примыкающие к одной фронтальной линии, должны двигаться синхронно, но в другой фазе, чем соседние элементы, относящиеся к другим фронтальным линиям.

Прямое подобие с биологическими объектами: полосатый эпителий с мерцательной активностью.

Ячеистая матрица изначально ориентирована на произвольное направление движения микрообъектов. Она формируется из двумерных ячеек, состоящих из некоторого числа микроволосковых элементов, расположенных непаралельно. Это просто – универсальная движущая матрица.

Выделим три типа наиболее просто реализуемых ячеек, Рис. 5.1.:
— трехэлементная;
— четырехэлементная;
— шестиэлементная.


Трехэлементная ячейка в векторном виде изображена на Рис.5.1. а1…а3.
Примитивность трехэлементной ячейки очевидна. С ее помощью невозможно реализовать реверсивное движение за один шаг. Применимость такого типа ячеек, очевидно, будет ограничена.


Четырехэлементная ячейка изображена на Рис.5.1. в1…в4.
Это полноценная конструкция, способная задавать перемещение по плоскости в любом направлении с простым алгоритмом задания движения.

Заметим, что в смысле большей универсальности кажется предпочтительней ячейка «в2», так как у «в3» заложена ассиметрия в виде правого направления векторов всех актюаторов (по часовой стрелке).


Шестиэлементная ячейка в векторном виде изображена на Рис.5.1. с1…с5.
Как показано, реализовать ее возможно различными способами: двумя звездами, двумя типами шестиугольных ячеек или комбинацией из двух треугольных. Треугольные ячейки в шестиэлементной ячейке сложены по принципу: одна ячейка – «правая», а другая — «левая» (вдоль и против часовой стрелки).

Рисунок 5.2. Типы ячеек.

Рисунок 5.1. Типы ячеек.

Конструктивные схемы, и вытекающие из них схемотехнические особенности управления микроволосковыми матрицами, видимо, могут задавать отличия в транспортных свойствах, но право на апробацию имеют любые конструкции.

К положительному свойству шестиэлементных ячеек, вероятно, следует отнести возможность стыковать шестиугольные матрицы, как соты, без «мертвых» зон, и при этом исходные круглые основы (например, кремниевые пластины) могут превращаться в шестиугольные с минимальной обрезкой краев.

Обобщая вышесказанное: одноэлементные и двухэлементные ячейки (реверсивные) могут применяться в полосатых матрицах, а трех-, четырех- и шести элементные — в ячеистых.

Ячейки с большим числом элементов вряд ли имеют смысл, в виду необходимости усложнения алгоритмов управления ими.

6. Адресация ячеек

Обсудим вопросы адресации ячеек матрицы.

Относительно полосатых матриц. Конечно, адресация полосатых матриц необходима не для каждой отдельной ячейки, а только для ячеек, «привязанных» к  линиям фронтов движения, для синхронизации «мерцательных волн». То есть нумеровать необходимо только линии фронтов.

Однако, синхронизация при помощи адресной активации – не единственная возможность управления. Возможно управление возбуждением «начальной точки» или «начального фронта» с последующим распространением волны доминирования, которая с определенной задержкой провоцирует доминирование следующей линии фронта движения, а точнее — связанных с этой линией ячеек. Для такой реализации безадресной полосатой матрицы необходимо ответить на вопросы: задержка доминирования между двумя соседними фронтами постоянна или ею необходимо управлять извне и нужно ли включение «обратного хода».

Вышеприведенные рассуждения позволяют определить критерии необходимости адресации в полосатой матрице, внешние параметры, задаваемые при управлении, и способы реализации схемы управления.

Рассмотрим адресацию применительно к ячеистой матрице, а именно значение наличия или отсутствия персонального адреса у каждой ячейки матрицы.

Появление адресов у ячеек принципиально изменяет возможности микроволосковой матрицы. Появляется возможность не только «точечного» управления, но и определения местоположения микрообъекта на матрице, а, так же, получения информации относительно характеристик микрообъекта или среды, путем адресного считывания сигналов со специальных датчиков, привязанных к ячейкам.

Адресация ячеек, в случае необходимости, для современных схемотехнических решений не представляет сложностей.

Но и безадресная ячеистая матрица предоставляет огромные операционные возможности для управления микрообъектами. Далее попытаемся убедиться в этом.


7. Управление квадратной четырехэлементной ячейкой

Схемотехнические решения для системы управления микроволосковой матрицей будут определяться последовательностью действий элементов ячейки, которые мы рассмотрим на примере квадратной ячейки, представленной на Рис.7.1.

Рисунок 7.1. Четырехэлементная ячейка. Вид сверху.


На Рис. 7.1 изображены микроволосковые элементы, составляющие ячейку. Микроволоски обозначены как А, В, С, D. Стрелками обозначены направления сдвигового усилия каждого элемента в фазе доминирования.

Фазы работы микроволосков ячейки во времени отображаются на Рис. 7.2. в виде временных диаграмм управляющих напряжений, исходя из того, что осуществляется перемещение микрообъекта в направлении стрелки «Перемещение объекта».

Рисунок 7.2. Временная активация элементов ячейки при организации перемещения.

Последовательность активации элементов А и С матрицы показана на Рис. 7.2., Элементы В и D исключены, так как в рассматриваемом перемещении не задействованы.
«Длинный шаг» состоит из последовательного подъема и опуска микроволосков А и С с небольшим по времени пересечением фаз доминирования для «противооткатной» фиксации микрообъекта.
«Одиночный шаг» реализуется путем одновременного опуска микроволосков А и С.

Напомним, что в этом примере идет речь, преимущественно, о передвижении твердых микрообъектов, т.к. для жидких фаз действие сил поверхностного натяжения может существенно изменить нарисованную нами картину перемещения.

8. Дополнительные опции микроволосковых систем

8.1. Детекторы микрообъектов.
Термомеханические актюаторы на основе биморфных систем не обладают большим КПД. Для повышения их экономичности, можно организовать включение в фазу доминирования только тех ячеек, над которыми расположены микрообъекты.

Для этого каждая ячейка матрицы может иметь в своей индивидуальной системе управления детектор микрообъекта. Спектр таких датчиков может быть достаточно широк:
— емкостные;
— магнитные;
— электростатические;
— тензометрические;
— электрической проводимости;
— радиационные;
— оптические;
— тепловые,
возможны и другие датчики, например — электрохимического потенциала.

Таким образом, в работе можно разрешить участвовать только тем ячейкам, которые контактируют с микрообъектами, остальные будут продолжать находиться в латентном состоянии.

Более того, появляется возможность менять, в зависимости от свойств микрообъектов, процедуру их обработки не производя внешнего анализа, причем решения о применении различных процедур могут приниматься на уровне отдельной ячейки.

В качестве простейшего детектора можем указать фотодиод распологаемый на поверхности ячейки, который запрещает работу ячейки при засветке внешним источником света. Разрешение поступает при затенении фотодиода микрообъектом.

8.2.Укрывающие пленки
Возможны весьма эффективные решения на основе применения тонких пленок, покрывающих всю рабочую поверхность матрицы. На применяемые пленки накладываются определенные требования:
— эластичность;
— прочность;
— износостойкость;
— химическая стойкость.

Пленка может играть роль разграничительного барьера между матрицей и рабочей средой.
Так же могут быть использованы особые свойства пленок для придания поверхности специфических характеристик:
— проводимости;
— магнитной и диэлектрической проницаемости;
— различных оптических и тепловых свойств;
— особых адгезивных свойств по отношению к микрообъектам, и т.п.

Вообще говоря, при достаточной силе сцепления микрообъектов с поверхностью матрицы, возможно создание условий для движения микрообъектов по наклонным, вертикальным поверхностям, или даже «вверх ногами».

8.3. Гибкие основы
Конечно, оптимальной технологией можно считать получение микроволосковых матриц на гибких пластинах.
Это направление разработок должно стать важной составляющей для получения удобного в применении планарного транспорта.

8.4. Прецизионное позиционирование
Возможности, которые могут быть получены при изготовлении МВС, могут быть относительно легко использованы для сверхточного позиционирования микрообъектов без участия операторов – людей.
Трудно представить все возможные приложения микроволосковых матриц для позиционирования, ассемблирования, разбраковки, просеивания – сепарации и прочих операций над микрообъектами.

8.5. Возможны достаточно интересные комбинации микроволосковых матриц с другими техническими системами, например, солнечными элементами, для создания структур девствующих под воздействием света.

9. Прогнозируемые сложности

Среди прогнозируемых сложностей, возникающих при попытке производстве МВС, назовем принципиальную необходимость подвода электрических цепей питания и управления с  тыльной стороны подложки. Это нужно для того, чтобы избежать «мертвых зон» на лицевой части пластины, то есть на ней не должно быть областей свободных от микроволосков.

Так же имеется смысл задуматься: может ли стать проблемою «мусор», порождаемый самой МВС, а именно: куда денется микроволосок отломившийся от МВС вследствие механической усталости.

А так же, какими средствами можно контролировать степень деградации МВС при долгих периодах работы для обеспечения их своевременной замены?

10. Заключение

Вышеизложенные соображения, конечно, не могут считаться сколько-нибудь полными. В них — попытка начального обсуждения идеи создания планарных транспортно-процессинговых систем для микрообъектов различной природы.

Не рассмотренными остались технологические вопросы, в том числе: каким образом (и из чего) можно вырастить микроволоски надлежащей длины. И хотя на сей счет имеется несколько предложений, необходимо отобрать лучшее.

http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Cell_biology

Вероятно, могут быть представлены десятки различных путей реализации планарно-процессинговых систем (ППС), но вышеизложенный, как представляется, имеет шанс быть реализованным быстрее, с получением широких возможностей для управления микронными и субмикронными объектами.

В угоду моим критикам, может действительно лучше сначала найти достойное приложение?

Может это нужно Биологам? Фармацевтам? Химикам? Для обогащения руд? Сортировки алмазов? Сепарации микроорганизмов? Для нового поколения воздушных или водяных фильтров? Автоматизации сборочного производства сверхмалых механизмов и микросхем? Создание самоочищающихся поверхностей (искусственная кожа)?

Возможно, у читателя существует задача — разбраковать по длинам два килограмма углеродных нанотрубок в день, сложить их параллельно друг к другу, «штабелировать» их в «пакеты» по тысяче штук для отправки покупателям? (это шутка).

Быть может, Вам нужны перестраиваемые дифракционные решетки? Управляемые поверхности с микрозеркалами или поляризаторами света?

Может быть нужна поверхность – «Хамелеон», с изменяемым цветом?

А может быть взять и попробовать построить поверхность с перестраиваемым радиоотражением?

Нужно раскрепостить сознание. Напомним, для тех, кто подзабыл школьную биологию: зрение — это проекция изображение на глазной эпителий, слух – восприятие звука эпителием, выстилающим внутреннее ухо. И они были созданы природой не сразу.

Давайте все вместе, «подумаем в одном направлении», и, я уверен, эти мысли нас могут занести очень далеко…

Буду искренне рад заинтересованному обсуждению.

Литература:
1. Большая Советская Энциклопедия. М:,1978.
2. В. А. Гридчин, И. Г. Неизвестный, В. Н. Шумский. Физика микросистем. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.

http://blogs.mail.ru/mail/cevfcitlifz906090/A6BF61C079B9D2B



В США построен первый лазер на чипе

14 февраля 2011

Создан первый программируемый нанопроцессор

10 февраля 2011

Создан рекордный аэрогель из углеродных нанотрубок

13 января 2011

Создана выносливая резина из нанотрубок

9 декабря 2010

Ультраконденсатор из графена догнал химические батареи

9 декабря 2010
  • Владимир Королёв  24 февраля, 00:06
    Как вариант развития технологии- умная одежда с клеточной структурой, способная очищать клетки кожи, защищать, передавать тепло, кислород внутренней стороной. Получать энергию от солнца и изменять цвет как хамелеон внешней стороной. Как Вы сказали искусственная кожа, или «вторая кожа», для защиты тела от экстремальных внешних воздействий(космос, атмосфера других планет). Типа скафандра, но тонкого как гидрокостюм. Это ,конечно, если в будущее с оптимизмом смотреть.
    ОтветитьНравится
  • Максим Подболячный  24 февраля, 18:03
    Очень интересно. У меня два вопроса возникло. Один попозже задам — из дому (схемку надо бы нарисовать), второй уже. Не получается ли в середине ячейки слепая зона? Особенно в гексагональной? Кстати, в середине гексагональной ячейки вполне можно уместить якейку меньшей размерности. Управление это усложнит, но и добавит возможностей. А за алгоритмами дела не станет, я думаю.
    А вот о практическом применении уже сегодня — надо хорошенько подумать. Но не выглядит эдакая штукенция бесперспективной, не выглядит...
    ОтветитьНравится
  • Максим Подболячный  24 февраля, 23:39
    Ага, нарисовал, щаззз. Руки видимо не оттуда растут. Попытаюсь на словах описать. Балочка с микроволоском, укрепленным под углом в 90 градусов. Надо ли так усложнять? Если можно разместить балочки вертикально (обойтись без волоска либо с волоском, но крепление его без 90 градусов будет надежным — а значит более износостойким. Волосок может проходить по всей длине балочки и выступать далее либо вообще быть продолжением более прочной компоненты биморфа). Понимаю, что при предложеном раскладе вместо вылета и сдвига получается «влёт» и сдвиг. предлагаю обойти это так. Балочка изначально изготовлена изогнутой и при нагреве не сгибается, а распрямляется (думаю, подобрать таким образом биморфы и их толщины не так уж сложно?). В итоге мы получим более прочное крепление волоска и более высокую плотность расположения волосков. Получилось описать? Или надо таки третировать пользователей мембраны своими посредственными художественными талантами? ;)

    Интересует так же другое. Вы продумывали технические аспекты изготовления таких матриц в достаточно миниатюрном масштабе?

    Кстати, четырехэлементная ячейка весьма интересна для позиционирования микроэлементов еще и тем, что при одновременном срабатывании всех четырех балочек должна бы разворачивать микроэлемент, размерами сопоставимый с ячейкой, вокруг точки пересечения диагоналей квадрата...

    ОтветитьНравится
  • Олег Апарцев  25 февраля, 08:08
    Вы совершенно верно ухватили идею.
    Конечно, я сознательно указал на возможное место в середине ячейки для расположения там:
    1. Элементов схемы управления;
    2. Всевозможных датчиков и вычислительных структур, вплоть до АЦП.
    3.Размещения солнечных, или других энергетических элементов.
    При этом, если взаимодействовать с микрообъектом будет только одна ячейка, мертвых зон не появится, все определится плотностью ячеек на поверхности.

    Вы так же верно определили, что МВС могут задавать «вихревые» моменты воздействия на микрообъекты, причем не только в пределах одной ячейки.

    Если говорить на более абстрактном языке: появляется возможность создания на плоскости, как потенциальных полей сил (дивегентных), так и вращающихся (роторных).

    Это принципиально задает возможности любых манипуляций с микрообъектами с произвольными соотношениями геометрических размеров, или, для жидких сред, задание вихревого «возбуждения».

    Что же касается вертикального расположения балочки и ее совмещения с микроволоском — за долгие годы я не смог решить эту проблему. Возможно такое решение есть, но в рамках планарной кремневой технологии создать изотропные (двухслойные), достаточно «высокие» ( до нескольких микрон), долговечные актюаторы — непростая задача.

    ОтветитьНравится
  • Максим Подболячный  25 февраля, 10:19
    Еще бы решить задачу вращения микрообъекта вокруг горизонтальной оси — и тогда уж полная свобода перемещений.
    ОтветитьНравится
  • Олег Апарцев  25 февраля, 08:14
    Прошу помощи.

    При подготовке статьи я не смог справиться с хорошим включением в текст Exel-таблицы (По тексту: Таблица 4.1). Подписи к столбцам съехали вбок.

    Буду чрезвычайно признателен.

    ОтветитьНравится
  • Максим Подболячный  25 февраля, 10:27
    Снимите принтскрином как картинку и как картинку же вставьте. Не слишком интеллектуально, зато проще не придумаешь. ;)
    ОтветитьНравится
  • Попробую


    a
    b
    с


    1
    2
    3


    6
    7
    8

    ОтветитьНравится
  • Не так :(((
    ОтветитьНравится
  • Геннадий Болдырев  23 марта, 17:16
    Олег, здравствуй. Подскажи пожалуйста, как Вы вышли на мою статью. Я, кроме своего блога, её нигде не вижу.
    ОтветитьНравится
  • Олег Апарцев  26 марта, 11:49
    Я как-то случайно набрел на неё, но сечас уже не могу отыскать.
    ОтветитьНравится