Antoine Legrain, promovendus aan de Universiteit Twente, heeft een methode ontwikkeld om microtechnologie in drie dimensies te ontwerpen. De bestaande mini-elektronica in computers en smartphones, bijvoorbeeld, is sterk tweedimensionaal en is gebouwd op een zeer dunne laag. In een microwereld in 3D, er kunnen meer transistoren in een behuizing worden geplaatst, dus we krijgen meer geheugen of snellere processors. Legrain werd in zijn werk geïnspireerd door Origami, de Japanse kunst van het vouwen, die hij toepast op microniveau. In dit geval, hij werkt met constructies die de diameter hebben van een zoutkorrel.

Microtechnologie heeft ons leven radicaal veranderd, zowel in de elektronica als in de mechanica. Iedereen komt dit dagelijks tegen en gebruikt succesvolle voorbeelden, zoals de accelerometer in smartphones of de sensor in auto-airbags. Echter, er kunnen nog enorme stappen worden gemaakt in de microtechnologie. De huidige toepassingen zijn tweedimensionaal. Alles wordt op een dun laagje glas of silicium geplaatst, die in zuivere vorm wordt gebruikt voor de productie van halfgeleiderchips, bijvoorbeeld, op smartphones.

"Een driedimensionale microwereld biedt enorme voordelen", zegt Legrain. "Naast elektronica, we kunnen ook driedimensionale mechanische objecten uit de macrowereld miniaturiseren."

Origami op minuscuul niveau

De techniek die Legrain in zijn proefschrift beschrijft, kan de basis vormen voor een nieuwe driedimensionale productietechniek die de beperkingen van de huidige tweedimensionale microtechnologie omzeilt. Een van de meest elegante manieren om driedimensionale structuren te creëren, is door middel van vouwen. De belichaming van deze techniek is Origami, de Japanse kunst van het vouwen, die hij uitvoerig heeft onderzocht. In zijn proefschrift laat hij zien dat Origami op allerlei niveaus toepasbaar is (zie figuur):van zonnepanelen en robots tot nu, daarom, de speciale toepassing van Origami met een diameter van 200 micron (0,2 millimeter), de grootte van een korrel zout.

"Natuurlijk, we kunnen niet met onze vingers op microschaal vouwen, en trucs zijn vereist, " zegt Legrain. "Ik gebruik de oppervlaktespanning van vloeistoffen om microstructuren te vouwen. Dit doen we door kleine druppeltjes water te verdampen. De druppels worden aangebracht op flexibele structuren, die daardoor opvouwen. Als we het goed ontwerpen, de structuur blijft na het verdampen gevouwen omdat de delen aan elkaar blijven plakken. En dan heb je een 3D-structuur gemaakt."

Volgende stap:massaproductie

Legrain beschrijft in zijn proefschrift dat het aanbrengen van kleine druppeltjes het gemakkelijkst is met een injectiespuit. "Deze methode is minder geschikt voor massaproductie, echter. Daarom, we hebben onderzocht of het mogelijk is om de druppel door een klein kanaal aan de achterkant van de te vouwen structuur te dwingen. Dit is gelukt, al is het op grote schaal vouwen van duizenden constructies tegelijk nog ver weg. Bij het vouwen van driedimensionale structuren moeten we vermijden ze volledig plat te vouwen. Dit kan eenvoudig worden bereikt door zorgvuldig de volgorde van vouwen te kiezen, of door speciale accenten te gebruiken."

Elektrische verbindingen

In zijn proefschrift, Legrain toont verschillende voorbeelden van deze laatste techniek. "Gevouwen mechanische constructies zijn interessant, maar hebben een beperkte toepassing. We hebben daarom gekeken of we elektrische verbindingen kunnen maken met de beweegbare delen. Dat kan als de aansluitingen goed zijn ontworpen. Voor massaproductie, het is essentieel dat duizenden constructies tegelijk kunnen worden gevouwen. Door een container met duizenden linten in water onder te dompelen en vervolgens te laten drogen, het was mogelijk om ze in één keer op te vouwen. Wij geloven dat het mogelijk is om complexere structuren op dezelfde manier te vouwen, maar dit vereist nog gedetailleerd vervolgonderzoek. De vooruitzichten zijn veelbelovend, echter."