Магнитная венерина мухоловка поймала муху
Ученые из Германии и Австрии научились создавать полимерно-магнитные полоски, управляемые небольшим магнитным полем с частотой до 100 герц. Это позволяет выполнять крайне быстрые движения: кратковременно левитировать или перемещать предметы и даже ловить мух. Статья опубликована в журнале Communications Materials.
Как правило, при миниатюризации роботов до размеров порядка сантиметра и массы порядка грамма разработчикам приходится отходить от классической схемы с моторами, аккумуляторами и прочими компонентами, хотя постепенно появляются и исключения. Самая распространенная конструкция из альтернативных — это полоски, сферы или другие объекты из магниточувствительного материала, управляемые внешним магнитным полем. При такой конструкции питание, вычисления и управление выносятся на удаленный аппарат, а в роботе остается лишь актуатор.
От редактора
Являются ли подобные актуаторы роботами — спорный вопрос. Но для удобства в дальнейшем в тексте заметки магнитные полоски и прочие устройства будут называться роботами.
Чаще всего магнитных микророботов применяют для перемещения по труднодоступным местам, к примеру, внутри тела, а также для перемещения объектов. Такие разработки уже существуют, но многие из них требуют создавать интенсивное магнитное поле и неспособны двигаться быстро и с высокой частотой.
Ученые под руководством Мартина Кальтенбруннера (Martin Kaltenbrunner) из Линцского университета и Дениса Макарова (Denys Makarov) из Института физики ионных пучков и материаловедения в Дрездене научились создавать более сильные и быстрые магнитные полоски, а также обнаружили, что при некоторых условиях они способны на асинхронные движения.
Полоски состоят из полидиметилсилоксановой матрицы и включений из сплава неодим-железо-бор со средним диаметром пять микрометров. Ученые создавали их методом центрифугирования, при котором жидкий материал наносится в центр круга-подложки, после чего он начинает вращаться со скоростью до 12 тысяч оборотов в минуту и при помощи центробежной силы распределять небольшой объем жидкости по всей поверхности. После этого пластины два часа прогревали для затвердевания и результате получались мембраны с заданной толщиной, которая составляла от 7 до 210 микрометров. Затем затвердевшие мембраны намагничивали в поле силой 2,3 Тесла, направленном вне их плоскости. А после этого ученые вырезали из мембран полоски нужной им формы.
Тестирование полосок показало, что они способны сгибаться на 90 градусов с высокой скоростью, составляющей около 25 миллисекунд при оптимальной частоте переменного поля 20 герц. Максимальная частота работы со сгибанием на 90 градусов составляет 100 герц и достигается при поле 9 миллитесла, а открытие на 45 градусов можно проводить на частоте 200 герц. Ученые продемонстрировали скорость работы магнитных роботов на примере модели цветка, работающей как венерина мухоловка. В ролике можно увидеть, что магнитный искусственный цветок успевает два раза сомкнуть свои лепестки вокруг мухи до того, как она успеет улететь.
Исследователи показали несколько практических применений полосок, в том числе захват для перемещения небольших предметов, левитацию в магнитном поле и магнитного ската, плавающего в воде. Также они обнаружили асимметричное поведение симметричной полоски в переменном магнитном поле, при котором она сгибается неравномерно с двух сторон. Ученые выяснили, что оно зависит от частоты переменного поля и проявляется на частотах от 13 до 27 герц. В своей статье авторы лишь описали эффект, но не предоставили развернутое объяснение.
В 2018 году американские ученые представили метод 3D-печати структур со сложным поведением в магнитном поле. Этого удалось добиться благодаря магнитной печатающей головки, которая задает намагниченность отдельных фрагментов объекта при его печати.
Григорий Копиев
При этом он может взаимодействовать с хрупкими объектами, не повреждая их
Американские инженеры создали простой и недорогой киригами-манипулятор. Он представляет собой лист материала со множеством прорезей, образующих определенный рисунок, благодаря которому при растяжении лист выгибается, образуя купол со смыкающимися лепестками. С помощью манипулятора можно точно взаимодействовать с ультратонкими и хрупкими объектами, не повреждая их, а также поднимать грузы в 16000 раз тяжелее собственной массы захвата. Статья с описанием конструкции опубликована в журнале Nature Communications. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Все попытки инженеров разработать универсальный мягкий манипулятор для роботов, который смог бы совместить в себе одновременно высокую точность и способность поднимать тяжелые предметы, обычно упираются в компромисс между гибкостью, прочностью и точностью захвата объектов. К примеру, мягкий манипулятор ROSE, напоминающий своей формой цветок, имеет довольно высокое значение отношения грузоподъемности к собственной массе и способен захватывать хрупкие предметы, не нанося им вреда, например, куриное яйцо. Однако из-за особенной формы и способа срабатывания он не может захватывать слишком мелкие объекты, такие как нити и тонкие листы. Инженеры под руководством Цзе Иня (Jie Yin) из Университета Северной Каролины предложили конструкцию манипулятора, которая способна решить эту проблему. В ее основе лежит японская техника складывания и вырезания бумаги киригами. Манипулятор изготавливается из тонкого листа полиэтилентерефталата (PET) толщиной 127 микрометров, в котором с помощью лазера делается множество узких прорезей по определенному паттерну. Благодаря этим прорезям при растяжении в перпендикулярном направлении лист выгибается, принимая форму, напоминающую шаровидную клетку, состоящую из двух половин в виде смыкающихся лепестков. Для срабатывания захвата достаточно лишь растянуть его в одном направлении, поэтому манипулятор можно использовать как дополнение к уже существующим моделям роборук и протезам без серьезных переделок. Давление, с которым половинки захвата воздействуют на объект, составляет всего около 0,05 килопаскаля. Это позволяет безопасно поднимать очень мягкие и хрупкие объекты с близкой к нулю жесткостью. Авторы экспериментировали с каплями воды, кетчупом, сырым яичным желтком, икрой, пудингом, а также с мягкими живыми организмами, такими как медузы. Сетчатая структура манипулятора подходит и для манипуляций с острыми объектами, например, медицинскими иглами. Они проходят сквозь прорези в материале, никак не влияя на целостность и функциональность манипулятора. Манипулятор может очень точно взаимодействовать с тонкими гибкими предметами, к примеру, с нитями толщиной 2 микрометра, что меньше толщины человеческого волоса в 40 раз, и с тонкими листами до 4 микрометров. Для демонстрации точного взаимодействия с объектами в бытовых условиях, инженеры прикрепили манипулятор к концам эффекторов протеза. Оказалось, что с помощью такого дополнения можно легко выполнять действия, иначе конструктивно недоступные для протеза. Брать очень мелкие предметы с поверхности, например, ягоды винограда, не повреждая их, и переворачивать страницы книги. Одновременно с высокими характеристиками точности и способностью взаимодействовать с очень хрупкими объектами, манипулятор обладает рекордным значением отношения массы полезной нагрузки к собственной массе. Масса захвата составляет всего 0,4 грамма, однако оказалось, что он способен поднимать объекты в 16000 раз тяжелее себя. Это, по словам авторов, в 2,5 раза превосходит предыдущий рекорд, который составлял 6400. https://www.youtube.com/watch?v=xfI5V6SuO60&t=1s Материал для захвата можно использовать биоразлагаемый. В этом случае его можно применять для задач, ограниченных по времени и числу применений, к примеру, для биомедицинских целей в качестве одноразового устройства. Техника оригами также часто используется в робототехнике. Например, японский инженер использовал ее для создания механического одноразового захвата, полностью состоящего из обычной офисной бумаги.