Миниатюрный робот-амфибия из оригами прогулялся по желудку свиньи

Qiji Ze et al./ Nature Communications, 2022

Американские инженеры создали миниатюрного робота-амфибию для биомедицинских целей. Его цилиндрический корпус сделан из полипропиленовой пленки, сложенной по паттерну оригами Креслинг, благодаря чему робот способен сжиматься и скручиваться. В движение он приводится с помощью магнитного поля, под управлением которого робот может передвигаться по суше, плавать в жидкости, прыгать, а также подбирать предметы и доставлять их заданную позицию. Благодаря форме корпуса робот при движении автоматически подстраивается под окружающий рельеф и способен преодолевать препятствия разной формы и размера. Разработчики испытали возможности робота на полосе препятствий, частично заполненной водой, а также в желудке свиньи с вязкой жидкостью. Статья, описывающая разработку, опубликована в журнале Nature Communications.

Инженеры все чаще используют оригами в конструкции новых устройств. К примеру, инженеры из Южной Кореи разработали на основе оригами-конструкции прототип колеса, которое способно менять свою форму и диаметр во время движения, а в Дании создали складывающийся прототип корпуса для космических аппаратов, который позволит уменьшить занимаемый аппаратом объем под обтекателем ракеты-носителя.

Элементы оригами также довольно часто применяются и в робототехнике. Например, японские и американские инженеры представили высокоточный пьезоэлектрический манипулятор для хирургических операций на основе подвижной оригами-конструкции. А в Университете Огайо собрали из нескольких оригами-элементов цилиндрической формы прототип манипулятора. Каждый из элементов сложен в виде паттерна, описанного Бирутой Креслинг, состоящего из чередующихся треугольников, расположенных под углом к оси цилиндра. Это позволяет элементу складываться по высоте цилиндра, преобразуя друг в друга вращательное и поступательное движения его оснований.

Такой же паттерн оригами применили инженеры из Стэндфордского университета под руководством Цицзи Цзэ (Qiji Ze) в конструкции разработанного ими миниатюрного робота. Его корпус представляет собой полый цилиндр диаметром около восьми и высотой около пяти миллиметров. Он сложен по паттерну Креслинг из полипропиленовой пленки. К одному из оснований цилиндра крепится магнитная пластина из силикона с внедренными в нее магнитными наночастицами. Вектор намагниченности пластины лежит в ее плоскости.


Для дистанционного управления миниатюрным роботом используется система управления, состоящая из трех наборов взаимно-перпендикулярных катушек Гельмгольца. Вращение направления управляющего магнитного поля приводит робота в движение. Он может катиться, вращаясь вокруг оси цилиндра, а также переворачиваться с основания на основание. Благодаря этому робот преодолевает возникающие на его пути препятствия, автоматически переключаясь с одного типа движения на другой в зависимости от рельефа.

В водной среде ребра треугольников на боковой поверхности оригами-цилиндра начинают играть роль лопастей водяного винта, создавая тягу при вращении корпуса вокруг оси. Максимальная скорость, которую цилиндрическому роботу удалось развить под водой, составила около 12 длин тела в секунду.

Кроме этого, робот способен совершать прыжки. Для этого внешнее магнитное поле, направленное под углом к направлению намагниченности пластины робота, включают кратковременно. Наибольшей высоты и длины прыжка, инженером удалось добиться при угле 120 градусов и величине индукции магнитного поля 40 миллитесла. Они составили 24 и 56 миллиметров соответственно.


Для того чтобы робот смог манипулировать полезной нагрузкой, в свободном от магнитной пластины основании есть отверстие, через которое робот может подбирать предметы в водной среде. Для этого отверстие робота приближают к грузу, после чего корпус раскручивают. Вблизи отверстия создается область низкого давления и предмет засасывает вместе с окружающей водой внутрь корпуса робота. Для разгрузки же достаточно перевернуть робота отверстием вниз, и полезная нагрузка выпадет под действием силы тяжести.

Кроме этого, инженеры разработали вариант робота для доставки жидких препаратов с двумя магнитными пластинами на основаниях цилиндра, которые отличаются направлениями намагниченности. Под воздействием внешнего магнитного поля определенного направления пластины поворачиваются друг относительно друга, сжимая оригами-цилиндр. При этом расположенная внутри на одном из оснований цилиндра ампула протыкается иглой, расположенной на противоположном конце, высвобождая лекарство, которое поступает наружу через прорези в боковой стенке корпуса робота.

Инженеры провели ряд тестов, демонстрирующих возможность точного управления роботом на заданной траектории. Для этого они построили полосу препятствий, частично заполненную водой, с наклонными поверхностями, ступеньками и барьерами, которые можно преодолеть только с помощью прыжка. На одном из участков маршрута робот погружается в воду, после чего успешно подбирает груз на дне резервуара и доставляет его в нужную точку на поверхности.


В другом эксперименте разработчики использовали свиной желудок, заполненный жидкостью с высокой вязкостью, чтобы продемонстрировать возможность использования робота в биомедицинских целях. Для передвижения в жидкости с вязкостью аналогичной желудочному соку инженерам пришлось слегка повысить величину управляющего магнитного поля с 10 до 12 миллитесла.

Ранее мы рассказывали об ученых из MIT, которые использовали магнитное поле для дистанционного управления хирургическим инструментом. Они разработали систему управления на основе роборуки и постоянного магнита, позволяющие выполнять эндоваскулярные операции удаленно.

Андрей Фокин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.