Магнитный спрей анимировал бумажное оригами


Магнитный спрей анимировал бумажное оригами

Xiong Yang et al. / Science Robotics, 2020

Китайские ученые разработали магнитное покрытие, которое можно наносить на многие материалы. Это позволяет создавать миниатюрных роботов, управляемых магнитным полем — при том «программировать» можно каждый отдельный участок. Инженеры сконструировали несколько моделей роботов и проверили работоспособность одного из них в желудке кролика. Статья опубликована в журнале Science Robotics.

Роботы размером с насекомых могут помочь там, куда человек проникнуть не в состоянии — например, в живые органы. Чтобы научить таких роботов передвигаться, ученые используют множество естественных моделей движения: шагания пауков, реактивные сокращения тела медуз и ползание червей и змей. Пока что, однако, крайне сложно обеспечить полностью автономную систему с собственной системой питания и управлением. А потому миниатюрных роботов, как правило, делают на основе пассивных конструкций, которыми можно управлять внешними стимулами, например, магнитным полем.

Чтобы робот мог взаимодействовать в различных условиях, нужно решить две ключевых проблемы — невозможность модифицировать робота после сборки и узкие проходы, через которые робот может не пролезть вместе с грузом. С изменением формы робота справляются мягкие материалы на основе полидиметилсилоксана или гидрогелей, хотя они обладают ограниченными механическими свойствами и не могут приспособиться ко всем условиям нагрузок.

Сюн Ян (Xiong Yang) с коллегами из Городского университета Гонконга поставил себе целью упростить процесс получения миллироботов. Ученые предложили напылять спрей, состоящий из поливилинового спирта, глютена (который упрочняет пленку и повышает адгезию к рыхлым поверхностям) и магнитных железных частиц, на поверхность каркаса робота. Получившимся миниатюрным роботом можно управлять с помощью магнитного поля.

В первую очередь они решили проверить, какой состав спрея лучше использовать, чтобы он имел лучшую адгезию к поверхности каркаса. Они выбрали состав, в котором соотношение глютена, магнитных частиц и поливинилового спирта составляет 1 к 8 к 11 соответственно. Из сопла распылителя спрей вылетал со скоростью, доходящей до метра в секунду. Итоговая тонкая пленка на поверхности каркаса имела толщину в 500 микрометров. Такой состав хорошо наносился на разные поверхности: полидиметилсилоксан, стекло, бумагу, пластик и дерево.

Магнитный спрей анимировал бумажное оригами

Сверху — виды роботов, сконструированных в этой работе, снизу — процесс получения покрытия

Xiong Yang et al. / Science Robotics, 2020

Магнитный спрей анимировал бумажное оригами

Разрушение магнитной пленки под действием осциллирующего магнитного поля

Xiong Yang et al. / Science Robotics, 2020

С помощью приложенного магнитного поля с индукцией в 100 миллитесла ученые получили в своей структуре направленные цепочки из железных частиц, расположенных по линиям магнитного поля. Затем полученную пленку высушивали, после чего ее толщина уменьшалась до 100-250 микрометров, а железные частицы больше не могли менять своего положения. Намагниченность таких пленок линейным образом зависела от приложенного магнитного поля, а потому двигательная способность оказалась хорошо контролируемой.

Для роботов с мягкой структурой ось намагничивания физики направили перпендикулярно направлению деформации, чтобы получить циклическое изменение формы. А для роботов с жестким каркасом — параллельно направлению движения. Чтобы удостовериться, что миллироботам под силу многие паттерны движения, ученые сделали несколько моделей: мягкий робот-рептилия, многосуставный робот-оригами, шагающих робот и катящийся робот. Новый спрей позволяет любому небольшому предмету перемещаться под действием магнитного поля, при этом предмет незначительно прибавляет в размерах и весе. Для сложной трехмерной структуры паука-оригами авторы намагничивали его подвижные модули независимо друг от друга, чтобы они правильным образом сгибались при движении.

Магнитный спрей анимировал бумажное оригами

Схематическое передвижение полученных роботов под действием магнитного поля по разным рельефам

Xiong Yang et al. / Science Robotics, 2020

Магнитный спрей анимировал бумажное оригами

Управление роботом-палкой, его поднятия в зависимости от направления магнитного поля и его силы

Xiong Yang et al. / Science Robotics, 2020

«Перепрограммировать» направление намагниченности робота не составляет большого труда — нужно намочить тонкий слой водой и приложить магнитное поле в 200 миллитесла. За десять минут намагниченные цепочки из железных частиц повернутся в направлении поля. А чтобы очистить поверхность от магнитной пленки достаточно приложить осциллирующее поле с индукцией в десять миллитесла и частотой в один герц.

В качестве применения для своих миллироботов ученые продемонстрировали катетер с кончиком из трех секций в магнитном спрее. С помощью магнитного поля катетер удалось провести через модель узкого витиеватого канала. Также авторы статьи покрыли спреем капсулу с лекарством — она проникала в желудок, где под действием переменного магнитного поля высвобождала лекарство в ограниченном пространстве. По мнению ученых новая технология позволит превратить в миниатюрных роботов любой каркас и доставлять лекарства в маленькие непредсказуемые участки.

Магнитный спрей анимировал бумажное оригами

Использование капсулы, покрытой магнитным спреем, для доставки лекарства в модели желудка

Xiong Yang et al. / Science Robotics, 2020

Сложные роботы в форме оригами уже несколько лет интересуют физиков с точки зрения управления их участками в отдельности от остальных. Три года назад американские ученые сконструировали треугольного робота-оригами, на местах сгиба которого находились небольшие электрические схемы — каждый участок управлялся отдельно в зависимости от частоты переменного магнитного поля.

Артем Моськин

Источник: nplus1.ru



Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru