Millimetergroße Roboter, die mit magnetischen Feldern gesteuert werden

Wissenschaftler an der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur), haben millimetergroße Roboter entwickelt, die mit magnetischen Feldern gesteuert werden. Diese Roboter sind in der Lage, hochmanövrierbare und geschickte Manipulationen auszuführen und könnten einen großen Einfluss in Bereichen wie Biomedizin und Fertigung haben.

Die Forschung wurde im wissenschaftlichen Journal Advanced Materials im Mai veröffentlicht.

Aufbau auf bestehenden kleinen Roboter

Die Miniatur-Roboter wurden durch Einbettung von magnetischen Mikropartikeln in biokompatible Polymere erstellt, die für den Menschen nicht giftig sind. Die Roboter sind so programmiert, dass sie, wenn magnetische Felder angewendet werden, ihre gewünschten Funktionen ausführen.

Die neue Technologie baut auf vorherigen kleinen Robotern auf und die neuen Ergänzungen umfassen eine optimierte Fähigkeit, in sechs Freiheitsgraden (DoF) zu bewegen, was eine translatorische Bewegung entlang der drei räumlichen Achsen und eine Rotation um diese Achsen oder Roll-, Nick- und Gierwinkel bedeutet.

Die Forscher haben bereits zuvor sechs DoF-Miniatur-Roboter entwickelt, aber die neuen Versionen können 43-mal schneller rotieren, solange ihre Ausrichtung genau kontrolliert wird.

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Aufgrund der Verwendung von “weichen” Materialien in ihrer Konstruktion können die Roboter mechanische Eigenschaften nachahmen. Zum Beispiel kann ein Roboter schwimmen, während ein anderer greifen, aufheben und präzise Miniatur-Objekte platzieren kann.

Assistant Professor Lum Guo Zhan von der School of Medicine und Aerospace Engineering ist der Hauptautor der Studie.

Laut Professor Lum hängt der wesentliche Fortschritt stark von der Entdeckung des “flüchtigen” dritten und letzten Hauptvektors der magnetischen Felder ab. Vor dieser Entdeckung wurden die angewendeten magnetischen Felder nur in Bezug auf zwei Hauptvektoren definiert.

“Mein Team suchte nach den grundlegenden Arbeitsprinzipien von Miniatur-Robotern, die sechs-DoF-Bewegungen ausführen, durch diese Arbeit. Durch das vollständige Verständnis der Physik dieser Miniatur-Roboter können wir jetzt ihre Bewegungen genau kontrollieren. Darüber hinaus kann unsere vorgeschlagene Fertigungsmethode diese Roboter magnetisieren, um 51- bis 297-mal größere sechs-DoF-Drehmomente als andere vorhandene Geräte zu erzeugen. Unsere Ergebnisse sind daher von wesentlicher Bedeutung und stellen einen bedeutenden Fortschritt für kleine Roboter-Technologien dar”, sagte Asst. Prof. Lum.

Die Miniatur-Roboter sind etwa so groß wie ein Reiskorn, daher sind sie nützlich, wenn man in begrenzte und umschlossene Räume gelangen muss, die große Roboter einschränken. Dies bedeutet, dass die neue Entwicklung besonders in der Medizin nützlich ist.

Die Roboter können von einem Bediener und einem Programm, das auf einem Steuercomputer läuft, ferngesteuert werden. Das Programm ändert die Stärke und Richtung der von einem elektromagnetischen Spulensystem erzeugten magnetischen Felder.

In der Medizin könnten die Miniatur-Roboter bestimmte lebenswichtige Organe wie das Gehirn erreichen, aber es wird noch viel mehr Testing und Anpassung benötigt, bevor sie auf diese Weise eingesetzt werden können.

Die Co-Autoren der Forschung umfassen PhD-Studenten Xu Changyu und Yang Zilin von der School of Mechanical and Aerospace Engineering.

“Neben der Chirurgie könnten unsere Roboter auch in biomedizinischen Anwendungen wie der Montage von Lab-on-Chip-Geräten, die für klinische Diagnosen verwendet werden können, indem mehrere Laborprozesse auf einem Chip integriert werden, von Wert sein”, sagten sie.

Testen der Roboter

Das Forschungsteam testete die Roboter in Laborexperimenten und demonstrierte ihre Geschicklichkeit und Geschwindigkeit.

Mit einem jellyfish-inspirierten Roboter kontrollierte das Team ihn, um durch eine enge Öffnung zu schwimmen, wenn er in Wasser suspendiert war. Dieses Experiment demonstrierte, wie die Roboter Barrieren in dynamischen und unsicheren Umgebungen überwinden können, was bedeutet, dass sie in Zukunft für gezielte biomedizinische Anwendungen wie chirurgische Eingriffe verwendet werden könnten.

Der Miniatur-Roboter übertraf auch die schnellste Rotation aller vorhandenen Miniatur-Roboter.

Das Forschungsteam wird nun versuchen, die Roboter noch kleiner zu machen, indem sie sie auf einige hundert Mikrometer reduzieren. Sie möchten auch, dass sie schließlich vollständig autonom sind.