Робот перешел из твердой формы в жидкую и преодолел препятствие

Инженеры из Китая и США создали робота из галлия и микрочастиц неодима-железа-бора. Благодаря низкой температуре плавления робот способен быстро переходить из твердой формы в жидкую и проходить через узкие ограниченные пространства, при этом для нагрева используется переменное магнитное поле. В будущем робот может применяться для дистанционной сборки печатных плат, крепежа конструкций в труднодоступных местах, а также в биомедицинских целях для доставки лекарственных препаратов и неинвазивных операций внутри организма. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Matter.

Инженеры давно работают над созданием миниатюрных роботов, которыми можно управлять дистанционно. Благодаря небольшим размерам они способны проникать в труднодоступные места и выполнять различные манипуляции с объектами. Обычно конструкция таких роботов состоит из материалов с внедренными в них магнитными частицами, которые позволяют воздействовать на них с помощью внешнего магнитного поля.

В качестве примера можно привести недавно представленный прототип робота, который может применяться для доставки лекарственных препаратов и неинвазивных манипуляций внутри организма. Его цилиндрический корпус состоит из полипропиленовой пленки и силикона с внедренными магнитными частицами, что позволяет перемещать его с высокой точностью с помощью магнитной системы управления.

Этот робот и подобные ему устройства имеют один существенный недостаток — в их конструкции используются достаточно твердые материалы, которые ограничивают способность робота изменять форму и проникать через очень узкие пространства. С другой стороны, существующие на сегодняшний день роботы на основе жидких материалов в свою очередь имеют слишком низкую механическую прочность, что ограничивает их скорость передвижения, грузоподъемность и силу, с которой они способны воздействовать на объекты.

Разрешить это противоречие попыталась группа инженеров из Китая и США под руководством Кармеля Маджиди (Carmel Majidi) из Университета Карнеги — Меллона. Они создали робота на основе металла галлия, смешанного с микрочастицами неодима-железа-бора. Получившийся композитный материал имеет низкую температуру плавления равную 30,6 градуса Цельсия. С одной стороны, это позволяет ему оставаться твердым при комнатной температуре, а с другой — он легко переходит в жидкую фазу без больших затрат энергии.

Для нагрева применяется переменное магнитное поле. Под его воздействием за 80 секунд материал массой 50 граммов нагревается до 35 градусов и расплавляется. После отключения нагревателя происходит остывание за счет отдачи тепла окружающей среде и переход в твердую фазу в течение 70 секунд. При желании можно изменять температуру плавления робота, используя в качестве материала сплавы галлия с другими металлами (например, галинстан ­— сплав галлия с оловом и индием — имеет температуру плавления минус 19 градусов Цельсия).

Благодаря внедренным в расплав магнитным микрочастицам роботом можно управлять с помощью магнитного поля. При этом направление суммарной намагниченности «корпуса» можно изменять в момент когда материал находится в жидком состоянии, а микрочастицы NdFeB, каждая из которых представляет собой отдельный маленький магнит, способны свободно ориентироваться под воздействием внешнего магнитного поля.

Инженеры провели серию экспериментов, чтобы убедиться в достоинствах выбранного материала для робота. В одном из них они продемонстрировали его способность проходить через узкие пространства. Для этого робота в форме фигурки LEGO поместили в клетку с прутьями. Затем материал нагрели и перевели в жидкую фазу и робот в жидкометаллическом состоянии смог просочиться между прутьями решетки. После этого каплю материала поместили в форму, в которой робот затвердел и принял первоначальный вид.

В другом эксперименте было продемонстрировано возможное практическое применение — размещение электронных компонентов и их припаивание к печатной плате. Для этого двух роботов сначала использовали для того чтобы правильно разместить электронный компонент (светодиод) над нужными электрическими контактами. Затем роботов поместили поверх контактов и расплавили. После охлаждения и затвердевания компонент оказался надежно закреплен и функционален.

Также частицы из расплавляемого материала можно использовать в качестве дистанционно устанавливаемого крепежа. Для этого необходимо разместить их над отверстиями, а затем расплавить. После того как жидкий металл заполнит отверстия, нагреватель отключается. Как продемонстрировал эксперимент, два таких «винта», с помощью которых скрепили две пластиковые пластины, способны удерживать груз массой 10 килограмм.

Кроме этого, инженеры продемонстрировали возможность применения робота в области медицины. Благодаря переходу из твердого в жидкое состояние и изменению формы робот смог захватить и удалить инородное тело из модели желудка, а также доставить в него лекарственный препарат.

Системы магнитного управления позволяют с высокой точностью позиционировать намагниченные объекты в пространстве. Ранее мы рассказывали о разработке инженеров из MIT, которые создали систему для дистанционного проведения эндоваскулярных хирургических операций. Она состоит из манипулятора с магнитом на конце, с помощью которого можно с высокой точностью управлять намагниченным хирургическим инструментом внутри кровеносных сосудов.