Tay kẹp vi cơ (micro gripper) là một khâu tác động cuối cho các hệ thống để điều khiển hoặc thao tác (kẹp, nắm) các vật có kích cỡ micro hoặc nano.
Trong phạm vi các hệ thống MEMS, có rất nhiều ứng dụng khác nhau trong đó các tay kẹp vi cơ có tầm ảnh hưởng ngày càng lớn. Phạm vi ứng dụng của các cấu trúc tay kẹp từ các thao tác với các hạt vi mô, các thành phần micro và ngay cả các tế bào cho đến các ứng dụng trong micro robot và có tác động đáng kểđến công nghệ hiện tại và tương lai. Ngoài ra, tay kẹp vi cơ cũng tạo khả năng cho những ứng dụng hoàn toàn mới như trong nghiên cứu y sinh: chúng có thể được sử dụng trong thao tác đối với các tế bào hoặc kỹ thuật cấy mô, vi phẫu thuật... hoặc dùng để gắp, kéo các sợi nano trong nghiên cứu vật liệu mới.
Hiện nay các vi tay kẹp thường dẫn động bằng hiệu ứng tĩnh điện [16] hay nhiệt [17]. Vi kẹp loại nhiệt có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, điện áp dẫn
21
khá nhỏ mà lại cho lực kẹp/đẩy lớn, nhược điểm duy nhất là nhiệt độ làm việc khá cao nên khó ứng dụng trong y sinh.
Trong phần này, nhóm tác giả đề xuất một mẫu tay kẹp dẫn động bởi hai cặp kích hoạt (actuator) nhiệt có thể kẹp và đẩy vật dạng thanh dài về cả hai phía như trên hình 1.7:
Hình 1.7 Cấu tạo hệ thống vi tay kẹp nhiệt
Thiết kế của hệ thống bao gồm bốn bộ kích hoạt nhiệt (2) và hai bộ kích hoạt kẹp (4) để kẹp và đẩy thanh trượt (1). Thanh trượt (1) di chuyển được sang cả hai phía trái và phải nhờ từng cặp bộ kích hoạt nhiệt hoạt động đôi một. Khi cấp điện áp dạng xung V1 cho hai bộ kích hoạt bên trái (2), ở khoảng thời gian V1 >0, hiệu ứng nhiệt-điện làm cho các dầm của bộ kích hoạt dãn nở nhiệt đẩy dầm đỉnh chữ V (nghiêng góc β so với phương ngang) tiến theo hướng đã định trước (nhờ góc nghiêng ban đầu γ), dầm (3) sau khi khắc phục khe hở g1 = 2 µm với thanh trượt (1) sẽ kẹp và đẩy thanh trượt (1) di
V1 V2 V2 V1 g1 g2 1 2 3 5 β γ 4
22
chuyển sang trái. Ở thời điểm có bước nhảy của V1 (điện áp giảm về 0) là lúc dầm dãn nở lớn nhất và đẩy thanh trượt chuyển vị một khoảng ∆S. Ở giai đoạn V1 = 0, dầm giảm nhiệt độ (truyền nhiệt qua đế, bức xạ nhiệt…) và co lại trở về kích thước ban đầu. Cùng lúc này bộ kích hoạt kẹp (4) (được đặt điện áp V2 chậm pha hơn) sẽ hoạt động (tương tự bộ kích hoạt đẩy thanh trượt) và kẹp chặt thanh trượt nhằm giữ nó cố định. Ở chu kỳđiện áp tiếp theo bộ kích hoạt tiếp tục dãn nở đẩy thanh trượt tiếp tục trượt sang trái. Chuyển động của thanh trượt là thẳng và gián đoạn. Các khối cốđịnh (5) có vai trò định hướng cho thanh trượt (1). Khe hở g2 giữa khối (5) và thanh trượt đủ lớn để thanh trượt (1) chuyển động dễ dàng nhưng đủ nhỏ để không bị lệch hướng. Khi chuyển động sang phải thì hệ thống hoạt động tương tự.