Профессор материаловедения, инженерии, мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института Полина Аникеева в своей лаборатории. Фото: Стеф Стивенс
Дженнифер Михаловски | Институт исследований мозга Макговерна
Ученые Массачусетского технологического института разработали крошечных роботов с мягким телом, которыми можно управлять с помощью слабого магнита. Роботов, образованных из резиновых магнитных спиралей, можно запрограммировать на ходьбу, ползание, плавание — и все это в ответ на простое, легкое в применении магнитное поле.
«Это было сделано впервые, чтобы иметь возможность управлять трехмерным перемещением роботов с помощью одномерного магнитного поля», — говорит профессор. Полина Аникеевакоманда которого опубликовала статья в открытом доступе о магнитных роботах в журнале Передовые материалы. «И поскольку они преимущественно состоят из полимера, а полимеры мягкие, для их активации не требуется очень сильное магнитное поле. Этими роботами движет очень маленькое магнитное поле», — добавляет Аникеева, профессор материаловедения, инженерии, мозга и когнитивных наук в Массачусетском технологическом институте, научный сотрудник Института исследований мозга Макговерна, а также заместитель директора Массачусетского технологического института. Исследовательская лаборатория электроники и директор Массачусетского технологического института К. Лиза Ян Центр мозга и тела.
Новые роботы хорошо подходят для перевозки грузов в ограниченном пространстве, а их резиновые корпуса бережно относятся к хрупким средам, что открывает возможность для разработки технологии для биомедицинских приложений. Аникеева и ее команда сделали своих роботов длиной в миллиметры, но она говорит, что тот же подход можно использовать для создания роботов гораздо меньшего размера.
Мягкие роботы на основе волокна с магнитным приводом
Инженерные магнитные роботы
Аникеева говорит, что до сих пор магнитные роботы двигались в ответ на движущиеся магнитные поля. Она объясняет, что для этих моделей «если вы хотите, чтобы ваш робот ходил, ваш магнит будет ходить вместе с ним. Если вы хотите, чтобы он вращался, вращайте свой магнит». Это ограничивает параметры, в которых такие роботы могут быть развернуты. «Если вы пытаетесь работать в действительно стесненных условиях, движущийся магнит может быть не самым безопасным решением. Вы хотите иметь стационарный прибор, который просто воздействует магнитным полем на весь образец», — объясняет она.
Янгбин Ли, доктор философии 22 года, бывший аспирант лаборатории Аникеевой, разработал решение этой проблемы. Роботы, которые он разработал в лаборатории Аникеевой, намагничены неравномерно. Вместо этого они стратегически намагничены в разных зонах и направлениях, поэтому единое магнитное поле может обеспечить профиль магнитных сил, управляющий движением.
Однако прежде чем они будут намагничены, должны быть изготовлены гибкие и легкие тела роботов. Ли начинает этот процесс с двух видов резины, каждая из которых имеет разную жесткость. Их соединяют вместе, затем нагревают и растягивают в длинное тонкое волокно. Из-за разных свойств двух материалов один из каучуков сохраняет свою эластичность в процессе растяжения, а другой деформируется и не может вернуться к своему первоначальному размеру. Поэтому, когда напряжение снимается, один слой волокна сжимается, натягивая другую сторону и стягивая все это в тугую спираль. Аникеева говорит, что спиральное волокно смоделировано по образцу извилистых усиков растения огурца, которые закручиваются, когда один слой клеток теряет воду и сжимается быстрее, чем второй слой.
Третий материал — тот, частицы которого могут стать магнитными — включен в канал, проходящий через резиновое волокно. Таким образом, после создания спирали можно ввести схему намагничивания, обеспечивающую определенный тип движения.
«Янгбин очень тщательно продумывал, как намагнитить наших роботов, чтобы они могли двигаться так, как он их запрограммировал, — говорит Аникеева. «Он провел расчеты, чтобы определить, как установить на нем такой профиль сил, когда мы приложим магнитное поле, что он действительно начнет ходить или ползти».
Например, чтобы сформировать гусеничного ползающего робота, спиральному волокну придают форму плавных волн, а затем тело, голова и хвост намагничиваются так, что магнитное поле, приложенное перпендикулярно плоскости движения робота, заставит тело двигаться. компресс. Когда поле уменьшается до нуля, сжатие снимается, и ползающий робот растягивается. Вместе эти движения продвигают робота вперед. Другой робот, в котором два спиралевидных волокна, похожие на ступни, соединены суставом, намагничивается по образцу, который позволяет двигаться, больше похожему на ходьбу.
Биомедицинский потенциал
Этот точный процесс намагничивания генерирует программу для каждого робота и гарантирует, что после создания роботов ими будет легко управлять. Слабое магнитное поле активирует программу каждого робота и управляет определенным типом движения. Одно магнитное поле может даже заставить несколько роботов двигаться в противоположных направлениях, если они были запрограммированы на это. Команда обнаружила, что одна незначительная манипуляция с магнитным полем имеет полезный эффект: щелкнув переключатель, чтобы изменить направление поля, можно заставить робота-грузовика мягко встряхнуться и высвободить свой полезный груз.
Аникеева говорит, что может представить себе этих мягкотелых роботов, простое производство которых будет легко увеличить, доставляющих материалы по узким трубам или даже внутрь человеческого тела. Например, они могут провести лекарство через узкие кровеносные сосуды, высвобождая его именно там, где это необходимо. Она говорит, что устройства с магнитным приводом обладают биомедицинским потенциалом, помимо роботов, и однажды могут быть включены в искусственные мышцы или материалы, поддерживающие регенерацию тканей.
Новости Массачусетского технологического института