Магнитных микророботов научили кувырками быстро забираться на наклонные поверхности

Американские инженеры разработали микроробота, способного под действием магнитного поля двигаться по различным поверхностям со скоростью до 5 сантиметров в секунду. Робот размером меньше одного квадратного миллиметра может передвигаться как на воздухе, так и в вязких жидкостях и способен забираться на поверхности, наклоненные до 60 градусов, пишут разработчики в статье в Micromachines.

Один из способов управлять движением автономных роботов — использование внешнего магнитного поля. Как размеры, так и принципы передвижения магнитных роботов при этом могут довольно сильно отличаться друг от друга. Например, для управления сложными макроскопическими роботами, состоящими из большого количества движущихся деталей, приходится разрабатывать сложные системы магнитных катушек, которые позволяют двигать независимо отдельными элементами. Для роботов поменьше, которых нужно просто направить в нужную точку и двигать как единый элемент, обычно используют различные комбинации небольших по величине постоянного и переменного магнитного поля. Таким образом можно управлять как роботами миллиметрового размера, так и микророботами, которые создаются для биологических и медицинских целей и способны перемещаться, например, внутри кровеносных сосудов.

Группа американских инженеров под руководством Дэвида Каппеллери (David Cappelleri) из Университета Пердью разработала вездеходного магнитного микроробота, который двигается за счет кувыркания по поверхности. Структура робота, полученного с помощью фотолитографии, состоит из трех основных элементов: двух магнитных элементов (состоящих из фоторезиста с добавлением магнитных частиц) по краям и одного соединительного немагнитного (из чистого фоторезиста) — посередине. Робот имеет прямоугольную геометрию, и его размер составляет 400 на 800 микрометров. При этом для улучшения адгезионных свойств геометрия магнитных элементов может быть модифицирована в зависимости от типа поверхности, по которой должно перемещаться устройство. Кроме прямоугольной формы, исследователи также использовали треугольные, закругленные, заостренные и несимметричные магнитные элементы.

Перемещается робот под действием вращающегося магнитного поля. При этом необходимая величина поля достаточно маленькая: от 2 до 40 миллитесла, с частотой вращения от 100 до 2000 герц. За счет вращения внешнего поля микроробот может совершать два типа кувырков: относительно своих короткой или длинной осей.

Кувыркаться такой робот может довольно быстро и по поверхностям разного рельефа и с различным коэффициентом трения. Так, на воздухе на сухой плоской поверхности при приложении внешнего магнитного поля величиной 7 миллитесла робот двигается со скоростью 48 миллиметров в секунду. Микроробот способен перемещаться и в вязких жидкостях, при этом в воде его скорость при той же величине поля сокращается до 13,6 миллиметра в секунду.

За счет того, что микроробот двигается кувырками, он свободно двигается по гофрированным поверхностям и поверхностям, на которые были нанесены выступы или ямки, соизмеримые с самим роботом. Помимо того, робот оказался способен подниматься по наклонной поверхности с углом наклона до 60 градусов.

В будущем авторы исследования планируют научиться более точно управлять траекториями таких устройств, а также разработать механизмы их движения в неоднородных средах, где значительное влияние могут оказать капиллярные силы на межфазных границах. При этом инженеры утверждают, что полученные ими результаты уже сейчас можно использовать для создания микроустройств для целевой доставки лекарств и других медицинских приложений.

Иногда для разработки нетоксичных магнитных микророботов для медицинских применений используют и материалы биологического происхождения. Например, если покрыть волокна водоросли магнитным материалом, можно получить спиральные микрочастицы, способные передвигаться под действием магнитного поля даже в вязких жидкостях.

Александр Дубов