На 3D-принтере напечатали мягких роботов, управляемых магнитным полем
Научная группа во главе с Сюаньхэ Чжао (Xuanhe Zhao) из Массачусетского технологического института разработала мягких роботов, которые управляются магнитным полем. Они способны совершать сложные движения, например, ловить катящийся мимо мяч. Авторы надеются, что новшество найдёт применение в медицине и других областях. Достижение описано в статье, опубликованной в журнале Nature.
Множество научных групп по всему миру создаёт устройства, способные двигаться в ответ на изменения во внешней среде без дополнительных источников энергии. В ход идут материалы с памятью формы, вещества, реагирующие на влажность, температуру, химические воздействия, электрические и магнитные поля.
Большинство этих методов имеет серьёзные недостатки. Устройства с памятью формы меняют конфигурацию медленно, им требуется на это несколько минут или даже часов. Электрическое поле позволяет управлять существующими роботами, лишь когда имеет напряжение в тысячи вольт. Конструкции, движимые разницей во влажности и температуре, а также химическими сигналами, ограничены в применении подходящими для них средами.
Магнитное же управление работает быстро, не требует опасных для человека полей и непритязательно к условиям внешней среды. Поэтому целый ряд исследовательских коллективов занимается подобными разработками.
Однако, как уточняет пресс-релиз нового исследования, до сих пор такие устройства были способны лишь на самые простые движения. Например, они могут удлиняться, сжиматься или изгибаться. Это связано с тем, что все магнитные частицы такого робота были намагничены одинаково.
Команда Чжао использовала иной подход. Инженеры создали частицы из соединения ниодима, железа и бора (NdFeB) размером около пяти микрометров и смешали их с наночастицами из пирогенного диоксида кремния. Всё внедрили в эластичную матрицу из кремнийорганической смолы. Сеть из кремниевых наночастиц, объединённых силами Ван-дер-Ваальса, предохраняет миниатюрные магниты от слипания друг с другом и одновременно позволяет устройству сохранять форму.
Однако магнитные частицы, расположенные в разных частях устройства, намагничены по-разному, и это принципиальное новшество. При изготовлении робота "в дуэте" с 3D-принтером работал электромагнит, по команде меняющий характеристики своего поля. Получилось, что магнитные частицы из различных частей конструкции в момент печати находились в разных полях. Эти поля они и сохранили в себе, как это свойственно ферромагнитным материалам.
Благодаря такой сложной структуре намагниченности устройство может совершать сложные движения, если приложить к разным его частям поля необходимой величины и направления.
Созданный авторами "зоопарк" включает кольцо, которое "морщится", сжимающуюся трубку, лист, складывающийся по команде. Также учёные создали несколько структур, которые быстро сжимаются и расширяются сразу по двум измерениям. Напечатали они и кольцо, которое светится красным или зелёным в зависимости от поданной команды. Для этого в него встроены светодиоды и источник питания. Деформация, вызванная "приказом" оператора, замыкает ту или иную электрическую цепь.
Гордостью исследователей является "паук", способный прыгать, ползти, переворачиваться и даже ловить мяч, катящийся на скорости 17,5 сантиметра в секунду.
"Мы думаем, что в биомедицине этот метод найдёт многообещающие применения", – говорит Чжао.
Исследователи надеются, что в будущем подобные роботы микроскопического размера, введённые в человеческое тело, смогут получать изображения, собирать образцы тканей, чистить" кровеносные сосуды и делать множество других полезных вещей.
Чтобы приблизить этот долгожданный день, авторы разработали и проверили компьютерную модель, которая предсказывает, как напечатанная структура будет деформироваться под действием разных полей. Другие научные группы смогут пользоваться ею для создания аналогичных устройств.
"Мы разработали платформу для печати и прогностическую модель для других пользователей. Люди могут создавать свои собственные структуры и шаблоны доменов, проверять их с помощью модели и печатать их, чтобы реализовать различные функции, – говорит Чжао. – Запрограммировав сложную информации о структуре, домене и магнитном поле, можно будет распечатать даже интеллектуальные машины, например, роботов".
Поясним, что под доменом учёный понимает участок, где наночастицы намагничены одинаково.
Напомним, что ранее мы писали о летающем роботе, питающемся от лазерного луча, и о мягком "охотнике", способном бережно поймать и отпустить рыбку.
Ещё больше интересного о гибких роботах можно узнать на страницах специального раздела проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru).
