Millimetrin kokoiset robotit ohjataan magneettikentillä

Nanyangin teknillisen yliopiston (NTU Singapore) tutkijat ovat kehittäneet millimetrin kokoisia roboteja, jotka voidaan ohjata magneettikentillä. Nämä robotit pystyvät suorittamaan erittäin taitavia ja tarkkoja liikkeitä, ja ne voivat olla suuri vaikutus aloilla kuten biolääketieteessä ja valmistuksessa.

Tutkimus julkaistiin tieteellisessä lehdistössä Advanced Materials toukokuussa.

Pienoisen mittakaavan robottien kehittäminen

Pienoiset robotit luotiin upottamalla magneettisia mikropartikkeleita biokompatibilisiin polymeereihin, jotka ovat myrkyttömiä aineita ihmisille. Robotit on ohjelmoitu siten, että kun magneettikenttiä sovelletaan, ne suorittavat halutun toiminnon.

Uusi teknologia perustuu aiempiin pienoisiin roboteihin, ja uusia lisäyksiä ovat optimoitu liikkuvuus kuudessa vapausasteessa (DoF), joka on translaatio liikkeiden kolmessa avaruusakselissa ja rotaatio liikkeiden noin näiden akselien, tai rulla, korkeus- ja yaw-kulmat.

Tutkijat ovat jo aiemmin kehittäneet kuuden vapausasteen pienoiset robotit, mutta uudet versiot voivat pyöriä 43 kertaa nopeammin kriittisessä kuudennessa vapausasteessa, kun niiden suunta on tarkasti ohjattu.

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

Magneettikenttien käytön ansiosta robotit voivat jäljitellä mekaanisia ominaisuuksia. Esimerkiksi yksi robotti voi uida, kun taas toinen voi ottaa, pitää ja asettaa pieniä esineitä tarkasti.

Lääketieteen ja ilmailutekniikan apulaisprofessori Lum Guo Zhan on tutkimuksen pääkirjoittaja.

Professori Lumin mukaan suuri edistysaskel riippuu “hämmästyttävän” kolmannen ja viimeisen päävektorin magneettikentissä. Aiemmin sovelletut magneettikentät määriteltiin vain kahden päävektorin avulla.

“Tiimini pyrki paljastamaan pienoisten robotien, joilla on kuusi vapausastetta, perustavanlaatuiset toimintaperiaatteet tämän työn kautta. Kun ymmärrämme täysin näiden pienoisten robotien fysiikkaa, voimme nyt tarkasti ohjata niiden liikkeitä. Lisäksi ehdotetumme valmistusmenetelmä voi magnetisoida nämä robotit tuottamaan 51-297-kertaisesti suurempia kuuden vapausasteen vääntöjä kuin muut olemassa olevat laitteet. Tutkimuksemme ovat siten ratkaisevia, ja ne edustavat merkittävää edistystaskelta pienoisten robottiteknologioiden kehittämisessä,” sanoi apulaisprofessori Lum.

Pienoiset robotit ovat noin riisinjyvän kokoisia, joten ne ovat hyödyllisiä, kun yritetään päästä ahtaisiin ja suljettuihin tiloihin, joissa suuret robotit eivät mahdu. Tämä tarkoittaa, että uusi kehitys on erityisen hyödyllinen lääketieteessä.

Roboteja voidaan ohjata etäältä operaattorin ja ohjelman avulla, joka pyörii ohjaustietokoneessa. Ohjelma muuttaa magneettikenttien voimakkuutta ja suuntaa, jotka luodaan sähkömagneettisella käämijärjestelmällä.

Lääketieteessä pienoiset robotit voivat päästä tiettyihin elintarpeisiin, kuten aivoihin, mutta ennen kuin ne voidaan soveltaa tällaisiin tarkoituksiin, niiden toimintaa on vielä testattava ja sääteltävä.

Tutkimuksen yhteiskirjoittajat ovat PhD-opiskelijat Xu Changyu ja Yang Zilin ilmailutekniikan ja mekaanikkaan kouluista.

“Lisäksi leikkauksista, robotit voivat olla arvokkaita biolääketieteellisissä sovelluksissa, kuten laboratorio-laitepohjaisissa laitteissa, joita voidaan käyttää kliinisissä diagnostiikoissa yhdistämällä useita laboratorioprosesseja yhdelle piirille,” he sanoivat.

Robottien testaus

Tutkimusryhmä testasi roboteja laboratoriotutkimuksissa ja osoitti heidän taitavuutensa ja nopeutensa.

Meduusan inspiroimalla robotilla tiimi ohjasi sitä uimaan tiukassa estebarrierissa, kun se oli ripustettu veteen. Tämä koe osoitti, miten robotit voivat kiertää esteitä dynaamisissa ja epävarmoissa ympäristöissä, mikä tarkoittaa, että tulevaisuudessa ne voivat olla käytössä kohdennetuissa biolääketieteellisissä sovelluksissa, kuten leikkauksissa.

Pienoisrobotti ylitti nopeimman pyörimisnopeuden mitään olemassa olevaa pienoista robottia.

Tutkimusryhmä aikoo nyt tehdä robotit vielä pienemmiksi, saaden ne muutamien satojen mikrometrien kokoisiksi. He haluavat myös, että ne lopulta ovat täysin itsenäisiä.