Магнитные роботы ходят, ползают и плавают

3 августа 2023 г., MIT News Оставить комментарий

Дженнифер Михаловски | Офис новостей Массачусетского технологического института

Ученые Массачусетского технологического института разработали крошечных роботов с мягким телом, которыми можно управлять с помощью слабого магнита. Роботов, сформированных из резиновых магнитных спиралей, можно запрограммировать на ходьбу, ползание, плавание — и все это в ответ на простое и легкое в применении магнитное поле.

«Это делается впервые, чтобы иметь возможность управлять трехмерным передвижением роботов с помощью одномерного магнитного поля», — говорит профессор Полина Аникеева, чья команда опубликовала в открытом доступе статью о магнитных роботах 3 июня. в журнале Advanced Materials. «А поскольку они преимущественно состоят из полимеров, а полимеры мягкие, для их активации не требуется очень сильное магнитное поле. На самом деле этими роботами движет очень крошечное магнитное поле», — добавляет Аникеева, профессор материаловедения и инженерии, а также наук о мозге и когнитивных науках в Массачусетском технологическом институте, научный сотрудник Института исследований мозга Макговерна, а также заместитель директора Массачусетского технологического института. Научно-исследовательская лаборатория электроники и директор Центра мозга и тела К. Лизы Ян Массачусетского технологического института.

Новые роботы хорошо подходят для перевозки грузов в ограниченном пространстве, а их резиновые корпуса бережно относятся к хрупким средам, что открывает возможность разработки этой технологии для биомедицинских применений. Аникеева и ее команда сделали своих роботов длиной в миллиметры, но она говорит, что тот же подход можно использовать для производства роботов гораздо меньших размеров.

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, вы вращаете свой магнит». Это ограничивает возможности использования таких роботов. «Если вы пытаетесь работать в действительно стесненных условиях, движущийся магнит может оказаться не самым безопасным решением. Вам нужен стационарный инструмент, который просто прикладывает магнитное поле ко всему образцу», — объясняет она.

Ёнбин Ли, доктор философии '22, бывший аспирант лаборатории Аникеевой, нашел 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, необходимо изготовить гибкие и легкие корпуса роботов. Ли начинает этот процесс с двух видов резины, каждый из которых имеет разную жесткость. Их складывают вместе, затем нагревают и растягивают в длинное тонкое волокно. Из-за разных свойств двух материалов одна из резин сохраняет свою эластичность в процессе растяжения, а другая деформируется и не может вернуться к исходному размеру. Поэтому, когда напряжение снимается, один слой волокна сжимается, подтягивая другую сторону и стягивая все это в тугой клубок. Аникеева говорит, что спиральное волокно смоделировано по образцу извилистых усиков огурца, которые скручиваются по спирали, когда один слой клеток теряет воду и сокращается быстрее, чем второй слой.

Третий материал, частицы которого могут стать магнитными, включен в канал, проходящий через эластичное волокно. Итак, как только спираль будет создана, можно ввести структуру намагничивания, обеспечивающую определенный тип движения.

«Ёнбин очень тщательно продумал, как намагнитить наших роботов, чтобы они могли двигаться так, как он их запрограммировал», — говорит Аникеева. «Он провел расчеты, чтобы определить, как установить на него такой профиль сил, когда мы приложим магнитное поле, что он действительно начнет ходить или ползать».

Например, для создания ползущего робота, похожего на гусеницу, спиральному волокну придают плавные волнистые формы, 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 ползущий робот растягивается. Вместе эти движения продвигают робота вперед. Другой робот, в котором два спиральных волокна, похожих на ступни, соединены суставом и намагничены таким образом, что движения больше напоминают ходьбу.