Driedimensionale microtechnologie met origami-vouwkunst

Microtechnologie heeft ons leven ingrijpend veranderd, zowel in elektronica als in de mechanica. Iedereen heeft er dagelijks mee te maken en kent succesvolle voorbeelden als de accelerometer in je smartphone of de sensor van je airbag in de auto. Er zijn echter nog enorme stappen te maken in de microtechnologie. De huidige toepassingen zijn tweedimensionaal. Alles is geplaatst op een dun laagje glas of silicium, dat in zuivere vorm wordt gebruikt voor de productie van halfgeleiders in chips, bijvoorbeeld in smartphones.
"Een driedimensionale microwereld biedt gigantische voordelen", stelt Legrain. "Naast elektronica kunnen we dan ook driedimensionale mechanische objecten uit de macro-wereld miniaturiseren."

Origami op minuscuul niveau

De techniek die Legrain beschrijft in zijn proefschrift kan de basis zijn van een nieuwe driedimensionale productietechniek die afrekent met de beperkingen van de huidige tweedimensionale microtechniek. Een van de meest elegante manieren om driedimensionale structuren te maken, is vouwen. Het summum van die techniek is de Japanse vouwkunst Origami, die hij nauwkeurig onderzocht. In zijn proefschrift laat hij zien dat Origami op allerlei niveaus kan worden toegepast (zie afbeelding): van zonnepanelen en robots tot nu dus de bijzondere toepassing van Origami met een diameter van 200 micrometer (0,2 millimeter), de grootte van een korreltje zout.

"Op de microschaal kunnen we natuurlijk niet met onze vingers vouwen, en zijn trucs nodig", weet Legrain. "Ik gebruik oppervlaktespanning van vloeistoffen voor het vouwen van microstructuren. Dit doen we door kleine druppels water te verdampen. De druppels worden aangebracht op flexibele structuren, die daardoor samenvouwen. Als we het goed ontwerpen, blijft na de verdamping de structuur gevouwen doordat onderdelen tegen elkaar blijven plakken. En daar heb je dan een 3D-structuur te pakken." 

Volgende stap: massaproductie

De eenvoudigste methode om kleine druppels aan te brengen is met een injectienaald, beschrijft Legrain in zijn proefschrift. "Die methode is echter minder geschikt voor massaproductie. Daarom hebben we onderzocht of het mogelijk is om de druppel door een klein kanaaltje aan de achterkant van de te vouwen structuur te persen. Dit is gelukt, hoewel het massaal vouwen van duizenden structuren tegelijkertijd nog ver weg is. Bij het vouwen van driedimensionale structuren moeten we voorkomen dat de structuren helemaal plat vouwen. Dat kan eenvoudig door de volgorde van vouwen goed te kiezen, of door speciale aanslagen te gebruiken."

Elektrische verbindingen

In zijn proefschrift laat Legrain van de laatste techniek verschillende voorbeelden zien. "Gevouwen mechanische structuren zijn interessant, maar hebben een beperkte toepassing. Daarom hebben we onderzocht of we elektrische verbindingen kunnen maken naar de beweegbare delen. Dat kan als de verbindingen goed zijn ontworpen. Voor massaproductie is het noodzakelijk dat structuren met duizenden tegelijkertijd gevouwen kunnen worden. Door een houder met duizenden linten onder te dompelen in water en te laten drogen, is het gelukt ze in één keer te vouwen. We denken dat het mogelijk is op dezelfde manier complexere structuren te vouwen, maar dit vergt nog veel vervolgonderzoek. De vooruitzichten zijn echter veelbelovend."

Antoine Legrain (Frankrijk, 1988) voerde zijn promotieonderzoek uit bij de faculteit EWI en de groep Transducers Science and Technology van het Mesa+ instituut voor nanotechnologie van de Universiteit Twente. Hij promoveerde op 13 november 2014. op zijn proefschrift ‘Elastocapillary Self-folding of micro-machined Structures, capillary Origami’.