Τι είναι τα MEMS,(Micro-Electro-Mechanical Systems) (Μικρο-ηλεκτρομηχανικά Συστήματα).

Αισθητήρια νέων κόσμων

Ονομάζονται Mems, είναι συσκευές μινιατούρες και ήδη βρίσκουν πολλές εφαρμογές στην καθημερινότητά μας. Υπόσχονται δε να γίνουν το «διαβατήριό» μας ακόμη και για την αποίκιση νέων πλανητών.

Ο διάσημος αστροφυσικός Στίβεν Χόκινγκ εμφανίστηκε πρόσφατα σε τηλεοπτική εκπομπή για να επαναλάβει τη θέση του πως πρέπει να πάμε σε νέους κόσμους. Δήλωσε ότι «ο πλανήτης μας είναι ένας παλιός κόσμος που απειλείται από τη συνεχή αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού και την εξάντληση των πλουτοπαραγωγικών πηγών του.

Αν θέλουμε ο άνθρωπος να επιβιώσει τα επόμενα εκατό χρόνια, είναι επιβεβλημένη η αποίκηση άλλων κόσμων, μακριά από τη Γη». Και κατέληξε: «Δεν έχω αμφιβολία ότι στα επόμενα 50 χρόνια θα έχουμε δημιουργήσει βάσεις κατοίκησης στη Σελήνη και ελπίζω ότι ως το τέλος του αιώνα άνθρωποι θα ζουν στον Αρη». Αναρωτήθηκα σε τι βάσιζε τη σιγουριά του ο Χόκινγκ ότι θα τα καταφέρουμε στη Σελήνη ώστε να πάμε και στον Αρη; Αλλά με αφορμή την είδηση ότι το iPhone θα ενσωματώνει αισθητήρες θερμοκρασίας, πίεσης και υγρασίας θεώρησα ότι έχω ένα μέρος τουλάχιστον της απάντησης: τα «MEMS».

Τώρα για το πώς αυτή η λέξη γεφυρώνει την απόσταση που χωρίζει τον κόσμο τού σήμερα από τους άξενους κόσμους που λέει ο Χόκινγκ ότι πρέπει να εποικήσουμε… θα πρέπει να διαβάσετε τη συνέχεια του άρθρου.

Ο όρος MEMS είναι αρκτικόλεξο: προέρχεται από τη φράση Micro-Electro-Mechanical Systems (Μικρο-ηλεκτρομηχανικά Συστήματα). Η συντομότερη ερμηνεία του όρου λέει ότι τα συστήματα αυτά είναι «η ολοκλήρωση ηλεκτρικών και μηχανικών δομών σε κλίμακα 1-100 μικρομέτρων». Πιο πρακτικά, είναι μινιατούρες συσκευών σε μεγέθη που κυμαίνονται μεταξύ διαμέτρου κόκκου σκόνης και πάχους ανθρώπινης τρίχας!

Εντυπωσιαστήκατε; Δικαίως, αλλά… τα MEMS δεν είναι ακριβώς τωρινό επίτευγμα· πρωτοεμφανίστηκαν στη δεκαετία του 1980 και τώρα βρίσκονται εμφυτευμένα σχεδόν σε κάθε πτυχή του τεχνολογικού μας περιγύρου: από τους αισθητήρες πρόσκρουσης που φουσκώνουν τους αερόσακους στα αυτοκίνητα ως τα υποσυστήματα που χαρίζουν στα κινητά μας τηλέφωνα «εξυπνάδα». Γενικά κατασκευάζονται μέσω της εναπόθεσης λεπτών στρωμάτων υλικού επάνω σε μια βάση και με κατοπινή αφαίρεση τμημάτων του υλικού ώστε τελικά να σχηματιστεί μια μικροσκοπική τρισδιάστατη δομή. Τα ηλεκτρικά τους στοιχεία επεξεργάζονται τα δεδομένα, ενώ τα μηχανικά στοιχεία κινούνται αποκρινόμενα στα εν λόγω δεδομένα.

Λειτουργικά τα MEMS μπορούν να είναι οτιδήποτε, από σχετικά απλές συσκευές χωρίς κινητά στοιχεία ως εξαιρετικά πολύπλοκα ηλεκτρομηχανικά συστήματα, με πολλαπλά κινούμενα στοιχεία υπό τον έλεγχο ολοκληρωμένων μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Για παράδειγμα, πολλά από τα τωρινά MEMS χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμοκρασίας, πίεσης, αδράνειας, υγρασίας, κλίσης, υψόμετρου, την ύπαρξη χημικών, μαγνητικών πεδίων, ακτινοβολίας και άλλων τινών στον χώρο μας. Ιδιαίτερα στις βιομηχανικές εφαρμογές θα τα βρούμε με τη μορφή μικροβαλβίδων για τον έλεγχο ροής αερίων και υγρών, οπτικών διακοπτών και καθρεφτών ανακατεύθυνσης ή και τροποποίησης φωτεινής δέσμης, μικροαντλιών αύξησης της πίεσης των υγρών, μικροπτερυγίων που ρυθμίζουν τη ροή του αέρα κτλ. Και όσον αφορά τη σχετικά πρόσφατη αγαπημένη ενασχόληση όλων, τον χειρισμό συσκευών μέσα από keypads ή οθόνες αφής… σωστά το μαντέψατε: MEMS κρύβονται πίσω τους. Επίσης MEMS βρίσκονται πίσω από το τσιπάκι-καθρέφτη DMD των προβολέων και των τηλεοράσεων, πίσω από τον τεράστιο όγκο δεδομένων που αποθηκεύουν πλέον οι σκληροί μας δίσκοι, πίσω από την εξαιρετική ποιότητα ήχου των κινητών μας τηλεφώνων και των ακουστικών ή πίσω από τα μύρια νέα διαγνωστικά όργανα των γιατρών και των μηχανικών.

Ενδεικτικό της επιτυχίας τους είναι ότι από μια παγκόσμια αγορά σχεδόν μηδαμινή το 2000 έφθασαν στις συνολικές πωλήσεις των 8,5 δισ. ευρώ το 2012 και προβλέπεται να ξεπεράσουν τα 16 δισεκατομμύρια ως το 2018. Οσο για το κόστος παραγωγής τους; Από πέντε ευρώ ανά μονάδα το 2006, τώρα κάθε MEMS κοστίζει λιγότερο από μισό ευρώ, κατά μέσον όρο.

Από το 2012 η Disney «κάτι μας κρύβει», κάτι ονόματι Touché. Οι πληροφορίες μιλούσαν για μια απόρρητη τεχνολογία «χωρητικής αίσθησης με σάρωση συχνοτήτων» που μπορούσε να επεξεργαστεί πολύ περισσότερες πληροφορίες απ’ ό,τι οι τρέχοντες αισθητήρες αφής και επέτρεπε σε οποιοδήποτε υλικό, συμπεριλαμβανομένου του νερού, να γίνει οθόνη αφής ικανή να ανταποκριθεί σε αγγίγματα και χειρονομίες μας. Ενα βίντεο μας έδωσε μια ιδέα της επαναστατικής τεχνολογίας, αλλά ποια θα ήταν η εμπορική υλοποίησή της; Τελικά, στις 22 Μαρτίου 2014, το περιοδικό «Popular Science» μάς αποκάλυψε την πρώτη εφαρμογή: μια οθόνη αφής που… διαβάζει το ποιος την αγγίζει.

Το σώμα καθενός από εμάς έχει τη δική του χαρακτηριστική πυκνότητα οστών, μυϊκή μάζα, όγκο αίματος και περιεκτικότητα σε νερό. Τα MEMS που βρίσκονται πίσω από την οθόνη της συσκευής στέλνουν μια σειρά αβλαβή ρεύματα μέσα στο σώμα του χρήστη της. Οι φυσιολογικές διαφορές μεθερμηνεύονται σε διαφορετική αγωγιμότητα του σώματος στα συγκεκριμένα ρεύματα. Η συσκευή μετρά αυτή τη «μοναδική υπογραφή χωρητικότητας» και αποφαίνεται για το ποιος είναι ο χρήστης της. Το πώς μπορεί να αξιοποιηθεί κάτι τέτοιο στον χειρισμό κάθε είδους συσκευών είναι μάλλον προφανές. Αλλά το ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι ότι θα μπορούσαν να εφαρμοστούν τέτοια «χωρητικά δακτυλικά αποτυπώματα» σε κάθε είδος αντικειμένου – από πόμολα πορτών ως έπιπλα και οχήματα – μετατρέποντας τον κόσμο μας σε μια ατελείωτη διαδραστική συσκευή.

Μπορεί λοιπόν τα επόμενα κινητά τηλέφωνα που θα κυκλοφορήσουν ως τα Χριστούγεννα του 2014 να έχουν ποικιλία νέων αισθητήρων και άλλων μικρομηχανισμών που θα κάνουν τη ζωή των καταναλωτών τους ακόμη πιο «ανέμελη», «ασφαλή» ή «δημιουργική». Το πραγματικά επαναστατικό όμως είναι αυτό που συντελείται από την πρόσμειξη στη συνταγή των MEMS των νέων νανο-υλικών που έχουν εμφανιστεί, όπως το γραφένιο.

Το γραφένιο είναι ένα δισδιάστατο υλικό με εξαιρετικές ιδιότητες, όπως εξαιρετική μηχανική αντοχή και ευκαμψία, υπερυψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα και ευρύ φάσμα οπτικής διαπερατότητας. Αυτές οι ιδιότητές του μας έχουν υποσχεθεί πολλά για εφαρμογές του σε έντυπα και εύκαμπτα κυκλώματα, εξαιρετικά γρήγορα τρανζίστορ, μη ενεργοβόρες οθόνες αφής, προηγμένες μπαταρίες, υπεργρήγορα λέιζερ και φωτοανιχνευτές αλλά και άλλες μη ηλεκτρονικές εφαρμογές.

Ενα πρώτο τέτοιο μήνυμα μετεξέλιξης των MEMS σε NEMS (Nano-Electro-Mechanical Systems, με γραφένιο) έφτασε τον Ιούνιο του 2013: μεικτή ομάδα ερευνητών από τα πανεπιστήμια KTH της Σουηδίας και Siegen της Γερμανίας βρήκε τρόπο ενσωμάτωσης μεμβράνης από γραφένιο σε αισθητήρα πίεσης και μάλιστα με διαδικασία γραμμής παραγωγής. Οπως δήλωσε αργότερα ο επικεφαλής της ομάδας, καθηγητής Frank Niklaus, το γραφένιο μπορεί να αυξήσει την ευαισθησία των αισθητήρων αυτών ως και 100 φορές. Ο λόγος είναι η εξαιρετική λεπτότητα της μεμβράνης γραφενίου.

Θα περίμενε κανείς πως θα περνούσε καιρός ώσπου να εμφανιστεί παρόμοια εφαρμογή του γραφενίου. Στις 16 Μαρτίου 2014 όμως το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν ανήγγειλε υπερήφανο τον «πρώτο ανιχνευτή φωτός σε θερμοκρασία δωματίου που μπορεί να αισθανθεί όλο το υπέρυθρο φάσμα και έχει τη δυνατότητα να βάλει την τεχνολογία θερμικής όρασης σε έναν φακό επαφής».

Αυτό σημαίνει ότι, σε αντίθεση με τους τωρινούς ανιχνευτές, ο ανιχνευτής τους δεν χρειάζεται ογκώδη εξοπλισμό ψύξης για να λειτουργήσει. Πώς το κατόρθωσαν; Αξιοποιώντας τη δυνατότητα του γραφενίου να βλέπει το πλήρες υπέρυθρο φάσμα – συν το ορατό και το υπεριώδες.

Η τελική τους συσκευή είναι ήδη μικρότερη από νύχι και εύκολα μπορεί να μικρύνει κι άλλο. «Αν την ενσωματώσετε σε έναν φακό επαφής ή άλλη φορετή συσκευή, θα διευρύνει την όρασή σας» δήλωσε ο Zhong. «Θα σας δώσει ένα διαφορετικό μέσο αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον σας».

Προτού καλά-καλά οι πολλοί – και ιδίως οι στρατιωτικοί – συνειδητοποιήσουν τι τους προσφέρει ένα τέτοιο μέσο, την ίδια ακριβώς ημέρα (16 Μαρτίου 2014) μία ακόμη επιστημονική δημοσίευση συγκλόνισε το Διαδίκτυο: χημικοί μηχανικοί του ΜΙΤ ανακοίνωσαν ότι όταν μπόλιασαν τους χλωροπλάστες του φυτού Arabidopsis thaliana με νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWNT), η φωτοσυνθετική τους παραγωγή πολλαπλασιάστηκε. Για να αντιληφθούμε τι σημαίνει αυτό θα πρέπει να σας θυμίσουμε πως η χλωροφύλλη – η χρωστική ουσία που συνήθως βρίσκεται στους χλωροπλάστες – μπορεί να απορροφήσει μόνο ένα μικρό κλάσμα του φωτός που προσλαμβάνει το φυτό. Η πρώτη φάση της φωτοσύνθεσης, που αναφέρεται κοινώς ως «φωτεινές αντιδράσεις», περιλαμβάνει τη διέγερση των χρωστικών και την επακόλουθη μεταφορά των ηλεκτρονίων μεταξύ πολλαπλών φωτοσυστημάτων. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτή τη ροή των ηλεκτρονίων ως μέτρηση του ρυθμού της φωτοσύνθεσης και διαπίστωσαν ότι, όταν οι νανοσωλήνες άνθρακα ήταν παρόντες, η ροή αυξανόταν κατά 49%! Μέχρι στιγμής δεν έχει δοθεί ακόμη εμπεριστατωμένη εξήγηση στο γιατί οι νανοσωλήνες άνθρακα ενισχύουν την αποτελεσματικότητα των χλωροπλαστών. Υποτίθεται μόνο ότι αυτό μπορεί να οφείλεται στη διεύρυνση του φάσματος: οι νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος είναι γνωστό ότι απορροφούν το φως στο υπεριώδες, το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο φάσμα, όπως περίπου και το γραφένιο.

Το θέμα πάντως είναι ότι βρήκαμε τον τρόπο να παρέμβουμε στη φύση και να τη «μετατρέψουμε σε εργοστάσιο παραγωγής ρεύματος». Οπως έγραψαν οι μηχανικοί του ΜΙΤ, το επόμενο βήμα τους θα είναι μάλλον το να «επεκτείνουν την απορρόφηση του ηλιακού φωτός, ιδιαίτερα στο εγγύς-υπέρυθρο φάσμα, που διεισδύει ακόμη βαθύτερα στους ζώντες οργανισμούς». Αλλά υπάρχει και ένα άλλο σημαντικό θέμα που διατύπωσαν οι ίδιοι ερευνητές και το υιοθέτησε πασίχαρες το επίσημο περιοδικό του Διεθνούς Επιμελητηρίου Ηλεκτρολόγων Μηχανικών «IEEE Spectrum» την επόμενη ημέρα: η ζεύξη νανοϋλικού – φυτών γεννά ένα νέο επιστημονικό πεδίο, αυτό της «νανο-φυτοβιονικής» (plant nanobionics).

Θα μπορούσε να τα θεωρήσει κανείς όλα αυτά «έπος επιστημόνων που ζουν στον κόσμο τους» ή «τεχνολογικά καλούδια για καταναλωτές ενός κόσμου που πεθαίνει». Και… δεν χρειάζεται να είναι κανείς παθολογικά πεσιμιστής για δει έτσι το θέμα: την ημέρα που το «IEEE Spectrum» πανηγύριζε την έλευση της «νανο-φυτοβιονικής», εμείς διαβάζαμε στα πορίσματα μελέτης που χρηματοδότησε η NASA ότι «ο βιομηχανικός πολιτισμός μας θα καταρρεύσει μέσα στις επόμενες δεκαετίες» και «η τεχνολογία δεν μπορεί να μας σώσει καθ’ όσον τείνει να αυξάνει τόσο την κατά κεφαλήν κατανάλωση πόρων όσο και την κλίμακα της εκμετάλλευσής τους. Το ίδιο ακριβώς, δηλαδή, που είχε συμπεράνει προ δύο ετών στο βιβλίο του 2052: A Global Forecast for the Next Forty Years ο καθηγητής του Πανεπιστημίου του Οσλο Jorgen Randers.

Ο σκεπτικισμός αυτός αναμφίβολα θυμίζει τη θέση του Χόκινγκ για ανάγκη έναρξης «εποχής αποίκισης πλανητών». Οπως θυμίζει και τον ψυχισμό των Ευρωπαίων στις αρχές του 16ου αιώνα: ο οικονομικός μαρασμός και οι θρησκευτικές διώξεις ωθούσαν τότε στον μαζικό εποικισμό του Νέου Κόσμου, της Αμερικής. Δεν πρέπει όμως να μας διαφεύγει ότι ο Παλαιός Κόσμος πάλεψε, επέζησε και ανέπτυξε τη Βιομηχανική Επανάσταση. Δεν θα μπορούσε να επιχειρηθεί και τώρα το ίδιο;

Για να κατανοήσουμε την καινοτόμο παρέμβαση των MEMS στη ζωή μας, ας μεταφερθούμε στην άνοιξη του 2010. Τότε οι ερευνητές του αμερικανικού πανεπιστημίου Louisiana Tech University αναζητούσαν λύση δωρεάν ενέργειας για τις φορητές και φορετές συσκευές. Οι υπάρχουσες «τεχνολογίες συγκομιδής ενέργειας» υπολείπονταν του στόχου. Για παράδειγμα, τα δονητικά MEMS που λειτουργούσαν ως γεννήτριες ρεύματος μπορούσαν να αποδώσουν μόλις κάποια μικροβάτ (μW) ηλεκτρικής ενέργειας. Κάτι τέτοιο δεν επαρκούσε για τους ήδη διαθέσιμους εμπορικά αισθητήρες «αθλητικής επίδοσης» που καταναλώνουν πάνω από 100 μW ηλεκτρικής ενέργειας ή τους γεω-εντοπιστές (GPS) που απαιτούν ακόμη περισσότερα.

Τα δονητικά MEMS βασίζονται σε πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς (piezo-transducers), οι οποίοι παράγουν ηλεκτρικό φορτίο όταν συμπιέζονται. Ενας τέτοιος πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας, συνδυαζόμενος με δύο διόδους ανόρθωσης, παράγει στην έξοδο συνεχές ρεύμα (DC). Για να είναι εφικτή η προσαρμογή του σε αθλητικό παπούτσι, ο μετατροπέας πρέπει να είναι φτιαγμένος από πολυμερές – όχι κεραμικό. Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε έναν τέτοιο πλαστικό μετατροπέα, που παρείχε 5 mJ ενέργειας ανά βήμα, αλλά σε τάση πολύ υψηλή – μεγαλύτερη των 50 V – για να χρησιμοποιηθεί από μικροσυσκευές. Οπότε χρειαζόταν ένα νέο κύκλωμα μετατροπής που θα ρύθμιζε την τάση εξόδου στα 3 V. Τελικά τα κατάφεραν φτιάχνοντας ένα MEMS με απόδοση μετατροπής άνω του 70%. Αυτό σημαίνει ότι μόνο από τον βηματισμό μας θα μπορούμε να αποκομίζουμε ενέργεια 2 mW ανά παπούτσι, δηλαδή αντίστοιχη εκείνης των 30 mAh μιας μπαταρίας λιθίου όταν έχουμε μέση κατανάλωση 0,5 mA.