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.