Є така штука — лекція Річарда Фейнмана «Там, внизу, ще багато місця». У ній фізик пообіцяв грошову винагороду тому, хто зробить робочий електромотор розміром не більше 1/64 дюйма в кубі. Це приблизно як піщинка. Фейнман був упевнений, що для цього доведеться винаходити принципово нові технології — щось на кшталт літографії, якою зараз роблять мікрочипи. Але один інженер, Вільям Макклеллан, узяв і зробив цей мотор вручну, у перервах на обід, звичайними інструментами. Без жодної літографії. З того часу, наскільки відомо, повторити цей трюк ніхто не намагався — аж поки за справу не взявся автор каналу Chronova Engineering.
Ідея простіша, ніж здається — але тільки на паперіСхема мотора — мінімалістична: чотири електромагніти закріплені на базовій пластині, а між ними обертається намагнічений ротор. Якщо подавати струм по діагоналі на протилежні котушки, змінюючи полярність, ротор має почати обертатися. Дружина автора, Хейзел, узяла на себе розробку керуючої електроніки — цифрової, на відміну від аналогової, якою свого часу користувався Макклеллан.
Усе знімалося під мікроскопом,
тож масштаб постійно вислизає з уваги. А цифри там такі, що аж не по собі: вал ротора — 90 мікрон у діаметрі, приблизно як людська волосина. Таку деталь можна зігнути чи взагалі роздавити, просто намагаючись її виміряти. Щоб хоч якось контролювати розміри, довелося зробити калібр — просвердлити отвір 0,1 мм у шматку латуні.
Здавалося б, дрібниця — відрізати готову деталь на токарному верстаті. Але на такому масштабі звичний спосіб (розвернути деталь і зачистити торець) просто неможливий. Різець залишав крихітний виступ по центру — і почалися експерименти:
- спроба відрізати циркулярною пилкою — деталь просто зникла в повітрі, а не впала в мензурку, як планувалося;
- ловля деталі краплею спирту через шприц — частково спрацювало, але виступ нікуди не подівся;
- алмазні диски для різання кремнію — надзвичайно тонкі й ламкі, ламалися одне за одним, довелося відмовитися;
- повернення до звичайного різця, але з новою заточкою — і саме це врешті дало прийнятний результат.
Обмотка дроту тоншого за волосинуЕлектромагніти зробити виявилося простіше — після практики на роторі точити крихітні осердя стало майже рутиною. А от намотати на них котушки — окрема історія. Дріт, яким доводилося працювати, приблизно у п’ять разів тонший за людську волосину. Побачити його неозброєним оком просто неможливо.
Спроба намотати вручну провалилася миттєво — дріт було неможливо ані вигнути як слід, ані втримати без обриву. Довелося конструювати цілу пристосу: латунну втулку для напрямку дроту, спеціальну плашку з штирем для кріплення кінця, шпульку з фетровим осердям, яка давала потрібний опір під час намотування.
Обертати шпиндель доводилося вручну, а сам дріт кріпився скотчем — і це працювало добре, поки не доходило до другого шару обмотки поверх першого.
Тут довелося імпровізувати ще раз — прикладати краплю ціаноакрилатного клею зубочисткою і притискати новий шар дроту голкою від шприца зі спеціально сплющеним кінцем.
Складання: коли зайва крапля клею — вже проблемаБазову пластину зробили з латунного прутка, залишивши деталь прикріпленою до заготовки — так простіше було з нею працювати.
У пластині просвердлили чотири отвори по 0,1 мм із невеликими заглибленнями для напрямку валу ротора.
Установка електромагнітів у отвори — теж не без пригод: зубочистка, якою переміщували деталі, залишала сміття, а спроба почистити все зубною щіткою тільки погіршила ситуацію. Коли дійшло до фіксації електромагнітів краплею клею, крапля розповзлася й затягла котушки, а потім висохла раніше, ніж вдалося прибрати надлишок. Автор уже готовий був починати проєкт заново, але останньою спробою врятувати ситуацію стало прочищення центру свердлом 0,1 мм, утримуваним просто пальцями. На диво, це спрацювало.
Для друкованої плати використали пантограф — по суті, фрезерний верстат, де шпиндель рухається по шаблону в двох вимірах. Плата вийшла з отвором посередині для мотора і чотирма парами контактних площадок для дротів котушок.
Паяння того самого надтонкого дроту теж давалося непросто — він плавився при спробі паяти напряму, і лише контакт із самою платою дав стабільний результат.
А далі — найнервовіша частина: перенесення намагніченого ротора під мікроскопом на моторчик за допомогою пінцета.
Скільки роторів було втрачено на цьому етапі, автор навіть соромиться рахувати — варто деталі вислизнути з пінцета, шукати її вже безглуздо. Довелося навіть затримувати дихання під час операції, хоча цього ледве вистачало на потрібні секунди. Врятувала ситуацію купівля спеціального тонкого пінцета — дорогого, але дієвого.
Перший запуск — і тиша замість обертанняКоли все нарешті зібрали й увімкнули живлення, дроти котушок помітно вібрували в такт електричному сигналу — обнадійливий знак. Але сам ротор не поворухнувся.
Після кількох місяців роботи над проєктом здаватися не хотілося. Дослідження показало: ротор просто втратив намагніченість. Парадоксально, але це була хороша новина — вона підтверджувала, що електромагніти справді працюють і їхнє поле переважає поле, яке раніше задали неодимовими магнітами.
Брат автора, Чарлі, який розбирається в магнітах, порадив спробувати альніко — сплав із набагато кращими магнітними властивостями. Дістати його вдалося тільки в уже намагніченому вигляді, тож довелося нагрівати матеріал вище точки Кюрі й повільно охолоджувати для розмагнічування.
І тут з’ясувалося неприємне: альніко практично не піддається звичайній механічній обробці. Різець, який чудово справлявся з попередніми матеріалами, був миттєво знищений. Спроба шліфувати деталь на верстаті теж закінчилася невдало — залишки алмазних дисків знову ламалися, а спроба просто сточити зайве призвела до того, що шматок матеріалу відколовся від контакту зі шліфувальним кругом.
Втім, саме цей відколотий уламок несподівано виявився диском потрібного розміру.
Останній штрих — і результат, який ще не зовсім теОскільки в диска з альніко не було валу для фіксації, довелося придумати обхідний шлях: покривне скельце мікроскопа поклали поверх електромагнітів і додали краплю годинникового масла — диск буквально плавав на тонкій плівці рідини.
Намагнітити деталь виявилося простіше, ніж раніше: Чарлі підказав, що достатньо просто доторкнутися ротором до потужного неодимового магніту марки N52 — через різницю в розмірах поле біля поверхні магніту можна вважати рівномірним.
Увімкнули електромагніти — і диск справді почав рухатися. Це не той тріумфальний момент, на який сподівався автор,
але й не провал, якого він побоювався. Щоправда, є нюанс: якщо враховувати товщину скельця і масляної плівки, конструкція вже виходить за межі заявленого кубика 0,4 мм.
Автор чесно визнає: результат не зовсім вписується в початкові рамки, тож проєкт отримає продовження з новими ідеями.
Окремо цікаво, що сталося з надлишком клею, яким фіксували котушки. Під звичайним оптичним мікроскопом оцінити масштаб проблеми складно — клей прозорий для видимого світла. Але для електронів він непрозорий, тож автору вдалося скористатися скануючим електронним мікроскопом у Саутгемптонському університеті.
Знімки показали: обмотки котушок практично не видно через товстий шар клею, а під час підготовки зразка один із дротів навіть обірвався. Крім того, добре видно все сміття від зубочистки, яким маніпулювали деталями під час складання.
Висновок автора — клей додатково захистив крихкий дріт, але, ймовірно, ціною зайвого тертя на валу ротора. У наступній версії, за словами інженера, варто спробувати підшипник — щось на кшталт годинникового каменя, хоча як саме реалізувати це на такому масштабі, поки незрозуміло.
Пройшовши через усе це, автор із неприхованим захопленням каже: не дивно, що Вільям Макклеллан вважається піонером нанотехнологій — той примудрився зібрати свій мотор усього за два з половиною місяці. З урахуванням того, скільки часу зайняла лише одна спроба повторити цей результат сьогодні, з сучасними інструментами й досвідом, це виглядає ще більш вражаюче.
Запис Мотор розміром із піщинку: інженер спробував повторити рекорд, встановлений ще у 1960-х спершу з'явиться на ProstoMob.
