Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Магнитный спрей анимировал бумажное оригами

Xiong Yang et al. / Science Robotics, 2020

Китайские ученые разработали магнитное покрытие, которое можно наносить на многие материалы. Это позволяет создавать миниатюрных роботов, управляемых магнитным полем — при том «программировать» можно каждый отдельный участок. Инженеры сконструировали несколько моделей роботов и проверили работоспособность одного из них в желудке кролика. Статья опубликована в журнале Science Robotics.

Роботы размером с насекомых могут помочь там, куда человек проникнуть не в состоянии — например, в живые органы. Чтобы научить таких роботов передвигаться, ученые используют множество естественных моделей движения: шагания пауков, реактивные сокращения тела медуз и ползание червей и змей. Пока что, однако, крайне сложно обеспечить полностью автономную систему с собственной системой питания и управлением. А потому миниатюрных роботов, как правило, делают на основе пассивных конструкций, которыми можно управлять внешними стимулами, например, магнитным полем.

Чтобы робот мог взаимодействовать в различных условиях, нужно решить две ключевых проблемы — невозможность модифицировать робота после сборки и узкие проходы, через которые робот может не пролезть вместе с грузом. С изменением формы робота справляются мягкие материалы на основе полидиметилсилоксана или гидрогелей, хотя они обладают ограниченными механическими свойствами и не могут приспособиться ко всем условиям нагрузок.

Сюн Ян (Xiong Yang) с коллегами из Городского университета Гонконга поставил себе целью упростить процесс получения миллироботов. Ученые предложили напылять спрей, состоящий из поливилинового спирта, глютена (который упрочняет пленку и повышает адгезию к рыхлым поверхностям) и магнитных железных частиц, на поверхность каркаса робота. Получившимся миниатюрным роботом можно управлять с помощью магнитного поля.


В первую очередь они решили проверить, какой состав спрея лучше использовать, чтобы он имел лучшую адгезию к поверхности каркаса. Они выбрали состав, в котором соотношение глютена, магнитных частиц и поливинилового спирта составляет 1 к 8 к 11 соответственно. Из сопла распылителя спрей вылетал со скоростью, доходящей до метра в секунду. Итоговая тонкая пленка на поверхности каркаса имела толщину в 500 микрометров. Такой состав хорошо наносился на разные поверхности: полидиметилсилоксан, стекло, бумагу, пластик и дерево.

С помощью приложенного магнитного поля с индукцией в 100 миллитесла ученые получили в своей структуре направленные цепочки из железных частиц, расположенных по линиям магнитного поля. Затем полученную пленку высушивали, после чего ее толщина уменьшалась до 100-250 микрометров, а железные частицы больше не могли менять своего положения. Намагниченность таких пленок линейным образом зависела от приложенного магнитного поля, а потому двигательная способность оказалась хорошо контролируемой.

Для роботов с мягкой структурой ось намагничивания физики направили перпендикулярно направлению деформации, чтобы получить циклическое изменение формы. А для роботов с жестким каркасом — параллельно направлению движения. Чтобы удостовериться, что миллироботам под силу многие паттерны движения, ученые сделали несколько моделей: мягкий робот-рептилия, многосуставный робот-оригами, шагающих робот и катящийся робот. Новый спрей позволяет любому небольшому предмету перемещаться под действием магнитного поля, при этом предмет незначительно прибавляет в размерах и весе. Для сложной трехмерной структуры паука-оригами авторы намагничивали его подвижные модули независимо друг от друга, чтобы они правильным образом сгибались при движении.

"Перепрограммировать" направление намагниченности робота не составляет большого труда — нужно намочить тонкий слой водой и приложить магнитное поле в 200 миллитесла. За десять минут намагниченные цепочки из железных частиц повернутся в направлении поля. А чтобы очистить поверхность от магнитной пленки достаточно приложить осциллирующее поле с индукцией в десять миллитесла и частотой в один герц.

В качестве применения для своих миллироботов ученые продемонстрировали катетер с кончиком из трех секций в магнитном спрее. С помощью магнитного поля катетер удалось провести через модель узкого витиеватого канала. Также авторы статьи покрыли спреем капсулу с лекарством — она проникала в желудок, где под действием переменного магнитного поля высвобождала лекарство в ограниченном пространстве. По мнению ученых новая технология позволит превратить в миниатюрных роботов любой каркас и доставлять лекарства в маленькие непредсказуемые участки.

Сложные роботы в форме оригами уже несколько лет интересуют физиков с точки зрения управления их участками в отдельности от остальных. Три года назад американские ученые сконструировали треугольного робота-оригами, на местах сгиба которого находились небольшие электрические схемы — каждый участок управлялся отдельно в зависимости от частоты переменного магнитного поля.

Артем Моськин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.