На 3D-принтере научились печатать сложных магнитных роботов

Американские исследователи нашли способ заранее программировать поведение 3D-печатных объектов в магнитном поле и для демонстрации работоспособности метода напечатали шестиногого робота, который может двигаться во внешнем поле и захватывать предметы. В статье, опубликованной в Nature, авторы рассказали, что использовали мягкий материал с включениями ферромагнитных частиц таким образом, чтобы создавать области которые по-разному реагируют на внешнее магнитное поле. Электромагнит вокруг печатающей головки принтера создает магнитное поле, ориентация которого задает ориентацию частиц в материале и определяет поведение объекта в магнитном поле после завершения печати.

Инженеры, создающие роботов для медицинских применений, сталкиваются с целым рядом проблем. Поскольку они должны быть небольшими, их сложно оборудовать электромоторами, аккумуляторами и другими ключевыми компонентами. Многие разработчики подобных устройств решают эту проблему с помощью внешнего магнитного поля, позволяющего одновременно решить проблему с двигателем и источником энергии для него. Но пока почти все эти разработки находятся на начальном уровне и не позволяют реализовывать в роботе сложные движения (или позволяют, но с помощью громоздких актуаторов), поэтому ученые продолжают разрабатывать более совершенные способы магнитного управления.

Группа ученых под руководством Сюаньхэ Чжао (Xuanhe Zhao) из Массачусетского технологического института научились с помощью 3D-печати придавать мягкому материалу способность совершать сложные движения в ответ на изменения внешнего магнитного поля. Материал для 3D-печати состоит из силиконового эластомера, выступающего в роли матрицы, и двух типов частиц-включений — ферромагнитных частиц сплава неодим-железо-бор размером около пяти микрометров, а также наночастиц диоксида кремния. Кремниевые частицы позволяют подобрать текучесть материала для 3D-печати таким образом, чтобы они выходили из печатающей головки под давлением, но при этом сохраняли свою форму после печати даже при условии, что сверху нанесены еще несколько слоев.

Ученые предложили задавать поведение частей материала во внешнем поле на стадии печати. Для этого они оборудовали печатающую головку 3D-принтера электромагнитной катушкой, намотанной вокруг канала, по которому проходит материал печати. Эта катушка создает магнитное поле, направленное вдоль или в обратном направлении относительно потока материала, за счет чего ферромагнитные частицы ориентируются соответствующим образом. В результате в напечатанном материале можно создать домены с нужным направлением намагниченности и нужной реакцией на внешнее поле. При этом печатающая головка экранирована и слабо влияет на ориентацию частиц в уже напечатанных слоях.

Ученые разработали модель, которая позволяет предсказать изменения формы материала в зависимости от расположения созданных в нем доменов и показали ее эффективность, создав несколько необычных прототипов. К примеру, они напечатали шестиконечного робота, который может складывать конечности, ползти, кататься и захватывать легкие предметы. Кроме того, исследователи напечатали несколько других структур, в том числе ауксетики, которые сокращаются по двум направлениям при приложении внешнего магнитного поля.

Недавно немецкие ученые разработали отчасти похожий метод создания магнитных роботов, способных совершать сложные движения во внешнем поле. Они использовали силиконовый эластомер с ферромагнитными частицами, которые намагничиваются таким образом, что их векторы намагниченности в полоске имеют гармонический профиль. В результате получаемая таким образом полоска изгибается во внешнем магнитном поле, причем величина и направление изгиба зависит от величины и направления вектора магнитной индукции.

Григорий Копиев