Quanto tempo podem durar pequenas engrenagens e outras peças microscópicas móveis antes de se desgastarem? Quais são os sinais de alerta de que esses componentes estão prestes a falhar, o que pode acontecer em apenas alguns décimos de segundo? Esforçando-se para fornecer respostas claras a essas perguntas, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um método para rastrear mais rapidamente os sistemas microeletromecânicos (MEMS) conforme eles funcionam e, tão importante quanto, à medida que param de funcionar.

Ao usar este método para análise de falha microscópica, pesquisadores e fabricantes podem melhorar a confiabilidade dos componentes MEMS que estão desenvolvendo, variando de robôs em miniatura e drones a minúsculos fórceps para cirurgia ocular e sensores para detectar vestígios de produtos químicos tóxicos.

Na última década, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) mediram o movimento e as interações entre os componentes MEMS. Em seu trabalho mais recente, os cientistas conseguiram fazer essas medições cem vezes mais rápido, na escala de milésimos, em vez de décimos, de um segundo.

A escala de tempo mais rápida permitiu aos pesquisadores resolver pequenos detalhes dos movimentos transitórios e erráticos que podem ocorrer antes e durante a falha do MEMS. As medições mais rápidas também permitiram que testes repetitivos - necessários para avaliar a durabilidade dos sistemas mecânicos em miniatura - fossem realizados mais rapidamente. Os pesquisadores do NIST, incluindo Samuel Stavis e Craig Copeland, descreveu seu trabalho no Journal of Microelectromechanical Systems .

Como em seu trabalho anterior, a equipe rotulou os componentes MEMS com partículas fluorescentes para rastrear seu movimento. Usando microscópios ópticos e câmeras sensíveis para visualizar e criar imagens das partículas emissoras de luz, os pesquisadores rastrearam deslocamentos tão pequenos quanto alguns bilionésimos de um metro e rotações tão minúsculos quanto vários milionésimos de radiano. Um microrradiano é o ângulo correspondente a um arco de cerca de 10 metros ao longo da circunferência da Terra.

Um sistema de imagem mais rápido e partículas fluorescentes maiores, que emitem mais luz, forneceu aos cientistas as ferramentas para realizar suas medições de rastreamento de partículas cem vezes mais rapidamente do que antes.

"Se você não pode medir como os componentes de um MEMS se movem em escalas de tempo e duração relevantes, então é difícil entender como eles funcionam e como melhorá-los, "Copeland disse.

Em seu sistema de teste, Stavis, Copeland e seus colegas testaram parte de um motor microeletromecânico. A parte de teste estalou para frente e para trás, girar uma engrenagem através de um mecanismo de catraca. Embora este sistema seja um dos MEMS mais confiáveis ​​que transferem movimento através de peças em contato deslizante, no entanto, pode apresentar problemas como desempenho irregular e falha prematura.

A equipe descobriu que o empurrão de peças em contato no sistema, se o contato entre as partes ocorreu em apenas um ponto ou mudou entre vários pontos, e desgaste das superfícies de contato, todos poderiam desempenhar um papel fundamental na durabilidade dos MEMS.

"Nosso método de rastreamento é amplamente aplicável para estudar o movimento de microssistemas, e continuamos a avançá-lo, "disse Stavis.