p Da impressora ao motor a jato, máquinas mecânicas com partes móveis têm sido um esteio da tecnologia por séculos. À medida que a indústria dos EUA desenvolve sistemas mecânicos menores, eles enfrentam desafios maiores - as peças microscópicas têm maior probabilidade de grudar e se desgastar quando entram em contato umas com as outras. p Para ajudar a fazer com que os sistemas microscópicos mecânicos (micromecânicos) tenham um desempenho confiável para tecnologias avançadas, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) estão voltando ao básico, medindo cuidadosamente como as peças se movem e interagem.

p Pela primeira vez, os pesquisadores do NIST mediram a transferência de movimento através do contato das partes de um sistema microeletromecânico em escalas nanométricas e microrradianas. Seu sistema de teste consistia em uma ligação de duas partes, com o movimento de um link direcionando o outro. A equipe não apenas resolveu o movimento com precisão recorde, mas também estudou seu desempenho e confiabilidade.

p As lições aprendidas com o estudo podem impactar a fabricação e operação de vários sistemas micromecânicos, incluindo interruptores de segurança, insetos robóticos e plataformas de fabricação.

p O movimento dos sistemas micromecânicos às vezes é muito pequeno - deslocamentos de apenas alguns nanômetros, ou um bilionésimo de metro, com rotações correspondentemente pequenas de alguns microrradianos - para os métodos de medição existentes resolverem. Um microrradiano é o ângulo correspondente ao comprimento de um arco de cerca de 10 metros ao longo da circunferência da Terra.

p "Tem havido uma lacuna entre a tecnologia de fabricação e a metrologia de movimento - os processos existem para fabricar sistemas mecânicos complexos com peças microscópicas, mas o desempenho e a confiabilidade desses sistemas dependem do movimento que é difícil de medir. Estamos fechando essa lacuna, "disse Samuel Stavis, um líder de projeto no NIST.

p "Apesar de quão simples este sistema parece, ninguém tinha medido como ele se move nas escalas de comprimento e ângulo que investigamos, "disse o pesquisador Craig Copeland do NIST e da Universidade de Maryland." Antes que os fabricantes comerciais possam otimizar o projeto de sistemas mais complexos, como interruptores microscópicos ou motores, é útil entender como sistemas relativamente simples operam sob várias condições. "

p As medições, que os pesquisadores relatam em Microsistemas e Nanoengenharia , confie na microscopia óptica para rastrear características de superfície nas peças móveis. O fabricante pode incorporar as características da superfície durante o processo de fabricação para que o sistema esteja pronto para medição logo na fundição. Ou, os pesquisadores podem aplicar nanopartículas fluorescentes ao sistema após a fabricação para maior precisão. Os pesquisadores do NIST introduziram este método de medição em um estudo anterior e usaram métodos relacionados para rastrear o movimento e a interação de outros sistemas pequenos. Mais importante, a capacidade de rastrear simultaneamente o movimento de várias partes em um sistema micromecânico permitiu aos pesquisadores estudar os detalhes da interação.

p Em seu experimento, os pesquisadores estudaram a transferência de movimento por meio de uma ligação mecânica, que é um sistema de partes conectadas a fim de controlar as forças e o movimento das máquinas. O sistema de teste tinha dois links que se conectavam e desconectavam por meio de uma junta, que é o ponto em que os links aplicam forças uns aos outros. O aquecimento elétrico e a expansão térmica de um elo impulsionavam a rotação do outro elo em torno de um pivô. Os pesquisadores desenvolveram um modelo de como o sistema deve se mover em condições operacionais ideais, e usaram esse modelo para entender suas medições de como o sistema se movia em condições operacionais práticas. A equipe descobriu que joga na junta entre os links, que é necessário para permitir as tolerâncias de fabricação e evitar que as peças emperrem, teve um papel central no movimento do sistema. Especificamente, a quantidade de jogo foi um fator importante para determinar precisamente como os links foram acoplados e desacoplados, e como essa transferência de movimento pode ser repetível.

p Desde que a entrada elétrica que conduz o sistema esteja relativamente livre de ruído, o sistema funcionou surpreendentemente bem, transferindo o movimento de uma parte para outra de forma muito consistente por milhares de ciclos operacionais. "Era perfeitamente repetível dentro da incerteza de medição, "disse Copeland, "e razoavelmente consistente com nosso modelo ideal."

p Aquilo é importante, ele observa, porque alguns pesquisadores esperam que o atrito entre peças pequenas degradaria o desempenho e a confiabilidade de tal sistema. Muitos engenheiros até abandonaram a ideia de fazer sistemas micromecânicos a partir de peças móveis que fazem contato, mudar para sistemas micromecânicos com peças que se movem por flexão para evitar o contato umas com as outras.

p Os resultados sugerem que sistemas micromecânicos que transferem movimento através de partes em contato "podem ter aplicações pouco exploradas, "disse Stavis.

p Contudo, os pesquisadores descobriram que, quando adicionaram uma quantidade normal de ruído elétrico ao mecanismo de acionamento, o sistema se tornou menos confiável e nem sempre conseguiu transferir o movimento de um link para o outro. Avançar, a exposição do sistema à umidade atmosférica por várias semanas fez com que as peças grudassem, embora os pesquisadores pudessem soltá-los e colocá-los em movimento novamente.

p Essas descobertas indicam que, embora os sistemas micromecânicos tenham o potencial de transferir movimento entre as partes em contato com desempenho inesperadamente preciso, o sinal de direção e o ambiente operacional são essenciais para a saída confiável do movimento.

p A equipe agora planeja melhorar suas medições e estender seu trabalho a sistemas mais complexos com muitas peças móveis.

p "Os sistemas micromecânicos têm muitas aplicações comerciais em potencial, "disse Stavis." Acreditamos que medições inovadoras ajudarão a realizar esse potencial. "