Мягкого магнитного робота из пикселей научили многократно принимать различные формы
Китайские ученые разработали технологию трехмерного намагничивания с помощью теплового воздействия для создания магнитных мягких роботов с программируемой формой. Технология позволила создать роботов из магнитных пикселей для многократного использования, которые могут менять форму и выполнять различные действия. Препринт доступен на arXiv.org
О том, что управлять движением роботов можно при помощи внешнего магнитного поля, известно давно. Размеры и выполняемые действия таких роботов при этом могут сильно отличаться друг от друга. Магнитные роботы могут быть макроскопическими и состоять из большого количества движущихся деталей, а могут быть совсем небольших размеров. Маленькие магнитные роботы часто разрабатывают для медицины. Например, есть магнитный микроробот, который может доставить нейроны в мозг. Но зачастую для медицинских применений необходимы не только небольшие размеры, но и гибкость материала, чтобы безопасно работать внутри тела.
Для таких целей ученые разработали мягких магнитных роботов. Их обычно делают из композита с ферромагнитным порошком, который помещают в гибкую матрицу. При приложении магнитного поля магнитные частицы материала приводят робота в движение. Однако распределение магнитной анизотропии в разных областях робота не меняется, а значит робот не может выполнять сложные команды. Ранее австралийские ученые предлагали концепцию магнитного кодирования — управление движением робота путем кодирования магнитных векторов в магнитных материалах. Но такой метод работает только с вертикальным векторным кодированием, что тоже накладывает ограничения на разнообразие движений робота.
Группа китайских ученых во главе с Ран Чжао (Ran Zhao) из технологического университета Чжунюань предложила технологию трехмерного намагничивания с помощью системы магнитного векторного программирования для дискретного распределения областей намагничивания. Такая технология позволила создать мягкого робота из магнитных пикселей для многократного использования, который может менять форму и выполнять различные действия.
В качестве основного материала для робота, ученые использовали композит из галлия и микрочастиц ферромагнитного неодима-железа-бора (NdFeB), с объемным соотношением шесть к четырем. Далее композитный материал намагнитили в импульсном магнитном поле и поместили в гибкую матрицу из силиконового эластомера.
Для создания трехмерной дискретной намагниченности в композите ученые использовали систему, которая состоит из трехосевой платформы позиционирования, вращающейся платформы, трехосевого датчика Холла, квадратного магнита, охладителя и оптической системы, которая включает в себя ультрафиолетовый лазер и CMOS камеру. Ученые нагревали лазером определенные области матрицы и галлий переходил из твердой фазы в жидкую. Частицы NdFeB переориентировались под действием запрограммированного магнитного поля и формировали магнитные анизотропные области, которые имели остаточную намагниченность с разным направлением. В конце процесса намагничивания лазер выключали и жидкий галлий снова переходил в твердую фазу под действием полупроводникового охладителя.
Для испытаний ученые сделали несколько мягких магнитных роботов с различными схемами магнитного кодирования, которые могут выполнять разные действия при приложении магнитного поля. Например, роботы в виде букв I, Y и O изгибались и скручивались. Мягкий робот в форме креста при использовании трех различных магнитных кодов скручивался по спирали, вставал и захватывал объект. В качестве профиля намагничивания можно использовать один или несколько пикселей и таким образом, менять масштаб робота, а для упрочнения конструкции можно добавить шарниры изгиба между магнитными пикселями. При помощи трехмерного намагничивания робот можно многократно использовать для разных применений, меняя схему магнитного кодирования. В будущем ученые планируют уменьшить размер таких роботов и спроектировать трехмерную структуру.
От редактора
После публикации мы изменили заголовок и поправили ошибки в тексте — изначально в заметке утверждалось, что при создании роботов ученые использовали матрицу из кремния, а не силиконового полимера.
Мягкие роботы часто разрабатывают для медицинских применений, но недавно мы писали о частично мягком подводном роботе, который может работать при высоком давлении, в том числе в Марианской впадине.
Это позволяет тратить в пять раз меньше энергии, чем при полете
Стартап Revolute Robotics из Аризоны разработал гибридного робота, который способен как летать, так и ездить по поверхности. Он представляет собой квадрокоптер, закрепленный на кардановом подвесе внутри металлической клетки сферической формы. Она защищает дрон от повреждений при столкновении с препятствиями, а также выступает в роли опоры при движении по земле, так как благодаря подвесу может свободно вращаться вокруг дрона во всех направлениях. По замыслу разработчиков, робот будет использовать для дистанционного обследования технического состояния оборудования и охраны объектов, сообщает издание New Atlas. Идея о размещении дронов целиком внутри защитного каркаса не нова. Несмотря на дополнительный вес, такой подход позволяет защитить дрон со всех направлений от повреждений при столкновении с препятствиями. Особенно это актуально при полетах в тесных помещениях с большим количеством объектов, например, с целью инспекции состояния оборудования технических сооружений. Такой дрон, к примеру, сделала швейцарская компания Flybotix. Разработанный ею бикоптер имеет защиту в виде почти сферической сетки, полностью покрывающей беспилотник. Схожую конструкцию для защиты дрона использовали и японские инженеры. Однако у предложенного ими варианта была особенность — сферическая защитная клетка, состоящая из двух независимых полусфер, имела возможность свободно вращаться вокруг двух осей, благодаря чему соприкосновение с препятствием меньше влияло на траекторию полета. Дрон, разрабатываемый стартапом Revolute Robotics, также помещен внутрь металлической защитной сетки сферической формы, которая способна вращаться вокруг беспилотника. Но благодаря карданному подвесу, которым квадрокоптер изнутри соединен со сферической оболочкой, это вращение может происходить не по двум осям, а в любом направлении. Эту способность инженеры решили использовать — робот может не только летать, но и ездить по поверхности, используя собственную защитную оболочку в роли всенаправленного колеса. https://www.youtube.com/watch?v=YUcwM7pCZkk Перемещение по поверхности происходит с помощью воздушных винтов дрона, который может наклоняться внутри свободно вращающейся вокруг него сферической оболочки в нужном направлении, регулируя скорость и направление движения. Упругая конструкция клетки и колец подвеса сглаживает толчки и удары, выполняя роль амортизатора. Регулируя уровень тяги пропеллеров, робот способен взбираться по крутым склонам, а при встрече с препятствием, которое нельзя переехать, может просто облететь его по воздуху. При этом на полет тратится в пять раз больше энергии, поэтому передвижение по поверхности оказывается предпочтительнее. В качестве полезной нагрузки робот может нести камеры, лидары и другие сенсоры. Поэтому его можно будет использовать, например, для составления трехмерных карт объектов и обследования технического состояния оборудования и инженерных сооружений, в том числе для инспекции труб. Другим возможным применением робота, по мнению разработчиков может стать охрана территории. Впрочем, защитный каркас — не всегда наилучшее решение, ведь дополнительный вес защиты будет уменьшать время работы дрона. Поэтому инженеры компании Cleo Robotics, которые разработали дрон Dronut X1 специально для работы в помещениях, применили другой подход. Два соосных несущих винта дрона X1 находятся полностью внутри похожего на пончик корпуса, и поэтому надежно защищены от встречи со стенами и другими препятствиями.