Millimeter-størrelse roboter kontrollert med magnetfelt

Forskere ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utviklet millimeter-størrelse roboter som kontrolleres med magnetfelt. Disse robotene er i stand til å utføre svært manøvrerbare og dyktige manipulasjoner, og de kan ha en stor innvirkning på felt som biomedisin og produksjon. 

Forskningen ble publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Advanced Materials i mai. 

Bygging på eksisterende småskalale roboter

De miniature robotene ble skapt ved å innlemme magnetiske mikropartikler i biokompatible polymerer, som er ikke-giftige materialer for mennesker. Robotene er programmert slik at når magnetfelt påvirker dem, utfører de sine ønskede funksjoner. 

Den nye teknologien bygget på tidligere småskalale roboter, og de nye tilleggene inkluderer en optimalisert evne til å bevege seg i seks frihetsgrader (DoF), som er translasjonsbevegelse langs de tre romlige akser og rotasjonsbevegelse om disse akser, eller rull, pitch og yaw-vinkler. 

Forskerne har allerede tidligere utviklet seks DoF miniature roboter, men de nye versjonene kan rotere 43 ganger raskere i den kritiske sjette DoF, så lenge deres orientering er nøyaktig kontrollert.

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

På grunn av bruken av ‘myke’ materialer i deres konstruksjon, kan robotene replikere mekaniske kvaliteter. For eksempel kan en svømme mens en annen kan gripe, plukke opp og plassere miniatureobjekter nøyaktig. 

Assisterende professor Lum Guo Zhan fra School of Medicine and Aerospace Engineering er hovedforfatteren av studien.

Ifølge professor Lum, er den største fremgangen tungt avhengig av oppdagelsen av den ‘illusoire’ tredje og siste hovedvektoren av magnetfeltene. Før denne oppdagelsen, var de anvendte magnetfeltene bare definert i termer av to hovedvektorer. 

“Mitt team søkte å avdekke de grunnleggende arbeidsprinsippene for miniature roboter som har seks-DoF-bevegelser gjennom dette arbeidet. Ved å fullstendig forstå fysikken av disse miniature robotene, er vi nå i stand til å nøyaktig kontrollere deres bevegelser. Videre kan vår foreslåtte fabrikasjonsmetode magnetisere disse robotene for å produsere 51 til 297 ganger større seks-DoF-dreiemomenter enn andre eksisterende enheter. Våre funn er derfor avgjørende, og de representerer en betydelig fremgang for småskalale robotteknologier,” sa Asst. Prof Lum.

De miniature robotene måler omtrent størrelsen på en riskorn, så de er nyttige når man prøver å nå til begrensede og lukkede rom som begrenser store roboter. Dette betyr at den nye utviklingen er spesielt nyttig i medisin.

Robotene kan kontrolleres fjernstyringsvis av en operatør og et program som kjører på en kontrollcomputer. Programmet endrer styrken og retningen av magnetfeltene generert av et elektromagnetisk spole-system. 

I medisin kan de miniature robotene nå visse livsviktige organer som hjernen, men det vil være nødvendig med mye mer testing og justering før de kan brukes på denne måten.

Medforfatterne av forskningen inkluderer PhD-studenter Xu Changyu og Yang Zilin fra School of Mechanical and Aerospace Engineering. 

“Foruten kirurgi, kan våre roboter også være av verdi i biomedisinske anvendelser som montering av lab-on-chip-enheter som kan brukes til klinisk diagnostikk ved å integrere flere laboratorieprosesser på en enkelt chip,” sa de. 

Testing av robotene

Forskningsgruppen testet robotene i laboratorieeksperimenter og demonstrerte deres dyktighet og hastighet. 

Med en jellyfish-inspirert robot, kontrollerte teamet den til å svømme gjennom en trang åpningssperre når den var suspendert i vann. Dette eksperimentet demonstrerte hvordan robotene kan forhandle barriers i dynamiske og usikre miljøer, noe som betyr at de i fremtiden kan brukes til målrettede biomedisinske anvendelser som kirurgiske prosedyrer. 

De miniature robotene overgikk også den raskeste rotasjonen av noen eksisterende miniature roboter. 

Forskningsgruppen vil nå se på å gjøre robotene enda mindre, bringe dem ned til noen få hundre mikrometer. De ønsker også at de til slutt skal være fullstendig autonome.