Studii și Cercetări Privind Efectul Reducerii Dimensiunilor în Microrobotică

NOŢIUNI GENERALE PRIVIND PARTICULARITĂŢI ALE MICROROBOTICII

1.1. Scalarea şi efectele scalarii.

1.1.1 Introducere

Trǎim într-o perioadǎ în care cuvintele încep tot mai mult cu nano, micro sau giga. Epoca micro-tehnologiilor a început, se vorbeste acum tot mai des despre integrarea pe micro-scarǎ, o extensie a integrǎrii pe scara foarte larga (VLSI Very Large Scale). Noi abordǎri în aceastǎ privinţǎ sunt acum necesare pentru a rǎspunde la cerinţele de proiectare la nivel de sistem. Cuvintele cheie pentru „microscale integration” sunt: consum redus, cost minim şi performanţe superioare.

Termenii tehnico-stiinţifici nu fac decat sa ne îmbogǎţeascǎ vocabularul, uneori cu riscul de a uita sǎ folosim limba simplǎ, mai puţin pretenţioasǎ. Lucrul la computer înlocuieşte de multe ori lectura, iar termenii GIGA-actuali sunt la modǎ şi reflectǎ un nou tip de culturǎ: ce-a tehnicǎ.

Puterea de cuprindere a acestei avalanşe de noi informaţii şi realizǎri tehnologice penduleazǎ între doua limite, una maximǎ şi una minimǎ, iar uneori suntem în dificultate cand trebuie sǎ privim în adancime si, mai ales, sǎ gǎsim calea de mijloc. Dar, totul trebuie scalat la dimensiunile existenţei noastre. Informaţia a ajuns sǎ se mǎsoare în GigaBiţi, frecvenţele în GigaHertzi, viteza de calcul în GigaFlops. Kilo-, Mega- sunt prefixe aproape depǎşite în tehnologia informaţiei. Tera- prinde curaj şi atacǎ puternic.

Scalarea trebuie fǎcutǎ şi în celǎlalt sens. Daca mili-, micro- au sens acum mai mult în industria grea, electronica, în special cea a semiconductoarelor, lucreazǎ de mult cu nano sau pico.

1.1.2 Efectele scalarii

Extrapolarea liniarǎ a lungimilor ni se pare usoarǎ, dar suntem repede în încurcaturǎ dacǎ luǎm în consideraţie implicaţiile pe care le are micşorarea lungimii asupra ariei si volumului şi asupra puterii relative a forţelor exterioare ce acţioneazǎ asupra microstructurilor. Cand avem de-a face cu microdispozitive, „macrointuiţia” noastra dǎ gres. Dacǎ un sistem este redus izomorf în mǎrime, schimbǎrile în lungime, arie şi volum modificǎ influenţa relativǎ a variatelor efecte fizice, care determinǎ întreaga operaţie într-un mod neasteptat.

In acelaşi timp cu micşorarea obiectelor raportul între suprafaţǎ şi volum creşte, redand forţe de suprafaţǎ mai importante. De exemplu dacǎ construim douǎ poduri identice din punct de vedere geometric, cel mai larg va fi mai slab. Duritatea grinzilor de oţel în poduri variazǎ cu pǎtratul dimensiunii liniare (l2), dar greutatea întregii structuri variazǎ cu cubul dimensiunii liniare (l3). Cu cat este mai mare structura cu atat este mai mare tensiunea. Reducand dimensiunea unui dispozitiv, rigiditatea structuralǎ creste relativ la greutatea impusǎ iniţial.

Fig. 1.1

Alt exemplu relevant este acela al tensiunii de suprafatǎ. Masa unui lichid într-un tub capilar şi de aici greutatea se raporteazǎ la (l3) şi descreşte mult mai rapid decat tensiunea de suprafaţǎ ce se raporteazǎ la (l) cand sistemul se micşoreazǎ. De aceea este mult mai dificil sǎ verşi lichid dintr-un tub capilar comparativ cu vǎrsarea cafelei dintr-o ceascǎ.

Rezistenţa pe care trebuie sǎ o depǎşeascǎ înnotǎtorii nu este gravitaţia, ci frecarea dintre corp (piele) şi apǎ, care creşte cu pǎtratul dimensiunii liniare. In acest caz, dimensinile mari duc la un avantaj evident, constand în aceea cǎ, cu cat e mai mare vietatea cu atat este mai mare viteza de înnot. Acest lucru poate fi explicat astfel: energia disponibilǎ (E), pentru viteza de înnot (v) depinde de masa de muschi pe care o are vietatea (l3), în timp ce miscarea în apǎ se opune rezistenţei de frecare R (l2). Aceasta duce la E~Rv2 sau v~ ; cu alte cuvinte, peştii sau vapoarele mai mari se mişcǎ mai repede.

O analiza detaliatǎ a legilor naturale dintre viteza şi lungimea corpului în apǎ, pe o suprafaţǎ, a fost prezentatǎ recent de Hayashi. Hayashi analizeazǎ de asemenea, efectul dimensiunii asupra forţelor şi fenomenelor de suprafaţǎ.