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