Millimeter-størrelse robotter styret med magnetfelt

Forskere ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet millimeter-størrelse robotter, der styres med magnetfelt. Disse robotter er i stand til at udføre meget manøvrbare og fingerfærdige manipulationer, og de kan have en stor indvirkning på områder som biomedicin og fremstilling.

Forskningen blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Advanced Materials i maj.

Bygning på eksisterende små-skala robotter

De miniature robotter blev skabt ved at indlejre magnetiske mikropartikler i biokompatible polymerer, som er ikke-toxiske materialer for mennesker. Robotterne er programmeret, så de udfører deres ønskede funktioner, når magnetfelt påføres.

Den nye teknologi bygger på tidligere små-skala robotter, og de nye tilføjelser omfatter en optimeret evne til at bevæge sig i seks frihedsgrader (DoF), som er translation langs de tre rumlige akser og rotation om disse akser, eller rulle-, pitch- og yaw-vinkler.

Forskerne har allerede tidligere udviklet seks DoF miniature robotter, men de nye versioner kan rotere 43 gange hurtigere i den kritiske sjette DoF, så længe deres orientering er præcist styret.

https://www.youtube.com/watch?v=jLu7q7ieQek&t=21s

På grund af brugen af ‘bløde’ materialer i deres konstruktion kan robotterne replikere mekaniske kvaliteter. For eksempel kan en robot svømme, mens en anden kan gribe, løfte og placere miniatureobjekter præcist.

Assistant Professor Lum Guo Zhan fra School of Medicine and Aerospace Engineering er hovedforfatteren på studiet.

Ifølge Professor Lum afhænger den store fremgang tungt af opdagelsen af den ‘illusoriske’ tredje og sidste hovedvektor for magnetfeltene. Før denne opdagelse var de anvendte magnetfelt kun defineret i forhold til to hovedvektorer.

“Mit hold søger at afsløre de grundlæggende arbejdsprincipper for miniature robotter, der har seks-DoF-bevægelser gennem dette arbejde. Ved at forstå fysikken bag disse miniature robotter kan vi nu styre deres bevægelser præcist. Desuden kan vores foreslåede fremstillingsmetode magnetisere disse robotter for at producere 51 til 297 gange større seks-DoF-drejningsmomenter end andre eksisterende enheder. Vores resultater er derfor afgørende og repræsenterer en betydelig fremgang for små-skala robotteknologier,” sagde Asst. Prof Lum.

De miniature robotter måler omkring størrelsen på en korn af ris, så de er nyttige, når man søger at nå begrænsede og lukkede rum, der begrænser store robotter. Dette betyder, at den nye udvikling er særlig nyttig i medicin.

Robotterne kan styres fjernbetjent af en operatør og et program, der kører på en kontrolcomputer. Programmet ændrer styrken og retningen af magnetfelt, der genereres af et elektromagnetisk spole-system.

I medicin kan de miniature robotter nå visse vitale organer som hjernen, men der vil være behov for meget mere test og finjustering, før de kan anvendes på denne måde.

Medforfatterne på forskningen omfatter ph.d.-studerende Xu Changyu og Yang Zilin fra School of Mechanical and Aerospace Engineering.

“Ud over kirurgi kan vores robotter også være af værdi i biomedicinske anvendelser såsom sammenlægning af lab-on-chip-enheder, der kan anvendes til klinisk diagnostik ved at integrere flere laboratorieprocesser på en enkelt chip,” sagde de.

Test af robotterne

Forskningsholdet testede robotterne i laboratorieeksperimenter og demonstrerede deres fingerfærdighed og hastighed.

Med en jellyfish-inspireret robot kontrollerede holdet den, så den svømmede gennem en snæver åbning, da den var suspenderet i vand. Dette eksperiment demonstrerede, hvordan robotterne kan forhandle sig med barrierer i dynamiske og usikre miljøer, hvilket betyder, at de i fremtiden kan anvendes til målrettede biomedicinske anvendelser som kirurgiske procedurer.

De miniature robotter overgik også den hurtigste rotation af nogen eksisterende miniature robotter.

Forskningsholdet vil nu søge at gøre robotterne endnu mindre, ned til få hundred mikrometer. De ønsker også, at de skal være fuldt autonome.