Framtidens teknologi - mikrorobotar i massproduktion

Martin Linder tog civilingenjörsexamen från KTH 1996 med inriktning mot materialfysik. Därefter tog han teknologie doktorsexamen, också den från KTH, inom mikroelektronik/radioelektronik. Efter drygt två år som lektor inom kretselektronik på Mälardalens högskola i Västerås blev han anställd inom NOTE och arbetar nu som International Business Manager på huvudkontoret i Norrtälje. Inom ramen för EUs sjätte ramprogram utvecklar NOTE, tillsammans med Uppsala Universitet, sin produktionsteknologi så att den skall möjliggöra serietillverkning av robotar på mikroskalan. Projektet kallas I-Swarm och är ett Europeiskt samarbete med deltagare från 8 olika länder, i huvudsak inom högskole- och universitetsvärlden. I-Swarm är en förkortning för Intelligent Small World Autonomous Robots for Micro-manipulation. Professor Stefan Johansson, Institutionen för Materialvetenskap vid Uppsala Universitet har huvudansvaret för hårdvarukonstruktionen i projektet. Precis som projektnamnet antyder är målsättningen att tillverka en hel svärm av väldigt små robotar, ca 2×2 mm. Detta innebär nya möjligheter att bl.a. studera gruppbeteende, kollektiv perception och kollektiva beslut. De tänkbara applikationerna är otaliga och man finner dem inom i princip alla industrisegment, från medicinskteknik till rymdteknologi. Under projektets gång förväntas ytterligare applikationsområden att dyka upp. Tidigare har grupper av små robotar tagits fram av flera olika forskargrupper i världen. Seriestorlekar i tiotal har rapporterats. Utfallet av dessa försök har varit positivt och det finns många lärdomar att ta till vara på. Det som ofta har varit begränsande har varit tillverkningskostnaden och reproducerbarheten. Det unika med projektet I-Swarm är att det redan från start fokuserar på en minsta batchstorlek på 1000 robotar. Detta innebär att produktionsexpertis måste in tidigt i projektet och att produktionen till stora delar kommer att styra konstruktionen av hårdvaran i robotarna. Robotarna Robotarna kommer att utgöras av dels mekanik och dels elektronik monterade på ett flexikort. Mekaniken utgörs av piezoelektrisk plast som med kontrollerade pålagda spänningar genererar rörelse. Drivtekniken baseras på lösningar i större skala där funktionen har visat sig fungera väl. Roboten skall inte bara kunna förflytta sig utan skall dessutom vara utrustad med ett eller flera verktyg. Dessa kommer att kunna skräddarsys beroende på applikation. Tänkbara verktyg är elektrostatisk nål, pipetter etc. Vad gäller elektroniken skall den innehålla en viss processorkraft, kommunikationsmöjligheter, kraftförsörjning, styrning av den mekaniska rörelsen och hantering av information från sensorerna. Kravspecifikationen på elektroniken är väldigt omfattande, särskilt med avseende på energiförbrukning. Detta grundar sig i att det är en väldigt begränsad mängd energi som roboten kan bära med sig. Strukturell uppbyggnad av mikrorobotarna. Bild av Urban Simu, Uppsala Universitet. Produktion Storleken och funktionaliteten på robotarna i I-Swarm ställer relativt extrema krav på många parametrar i produktionsprocessen. I första hand är det den önskade placeringsnoggrannhet som blir en utmaning. I inledningen av projektet talas det om en standardavvikelse på ca 10-20 mikrometer i samtliga riktningar för monteringsprocessen. NOTE har sedan en tid tillbaka ett projekt tillsammans med en leverantör av ytmonteringsutrustning för att öka placeringsnoggrannheten och möjliggöra optisk avsyning av dessa minimala toleranser. Mycket går också att förbättra redan vid CAD arbetet, genom att utforma nya "footprints" kan man utnyttja självlinjeringsprincipen bättre än vid lödning av standardkomponenter. Detta innebär i sin tur att toleranserna blir väldigt snäva för mönterkortsleverantören. Att hitta en flexkortstillverkare som klarar av att möte dessa krav är en stor utmaning och det krävs ett ingående kvalificeringsarbete. För att kunna serieproducera mikrorobotarna måste produktionsprocessen automatiseras i så stor grad som möjligt. Detta gäller inte minst funktionstest och programmering av robotarna. Det är önskvärt att acceptanstesten kan utföras till fullo innan panelen delas. Det mest effektiva är att hitta metoder att kontrollera funktionaliteten i en ICT (In-Circuit Test). Utmaningen här är att hitta mätbara parametrar och gränsvärden som tydligt avspeglar mekanisk prestanda hos den piezoelektriska plasten. Förhoppningsvis kan även programmeringen av robotarna ske i detta steg. Ytmonteringsprocessen behöver klara en placeringsnoggrannhet på ca 10 mikrometer. De applikationsområden som i framtiden kan komma att bli aktuella för svärmar av mikrorobotar är många. Man kan tänka sig svärmar av mikrorobotar i olika tillverkningsindustrier t.ex. elektronikproduktion. Det finns också idéer för applikationer inom medicinskteknik och det är bara fantasin som sätter begränsningarna för ytterligare applikationer av teknologin. Robotarna skapar sig en kollektiv uppfattning om sin närmiljö Bild av IPR, Universitetet i Karlsruhe, Tyskland. På NOTE drivs I-Swarm inom Center of Excellence (CoE), ett team som fokuserar på processteknologi. Inom CoE bedrivs forskning tillsammans med ett stort antal högskolor och institut. NOTE satsar på I-Swarm av flera anledningar, dels för att det finns en stor potentiell marknad för dessa typer av produkter, och dels för att det är processtekniskt utmanande vilket utvecklar vår produktionsteknologi i än högre grad. De processtekniska framstegen är något som NOTEs övriga kunder också kommer att dra nytta av. Martin Linder - NOTE AB