Roboty o wielkości milimetra sterowane polami magnetycznymi

Naukowcy z Nanyang Technological University w Singapurze (NTU Singapore) opracowali roboty o wielkości milimetra, które są sterowane polami magnetycznymi. Te roboty są w stanie wykonywać bardzo zwinne i zręczne manipulacje, a mogą mieć duży wpływ na takie dziedziny jak biomedycyna i produkcja.

Badania zostały opublikowane w maju w naukowym czasopiśmie Advanced Materials .

Budowanie na istniejących małych robotach

Miniaturowe roboty zostały stworzone poprzez wbudowanie cząstek magnetycznych w polimery biokompatybilne, które są niegroźne dla ludzi. Roboty są zaprogramowane w taki sposób, że gdy są stosowane pola magnetyczne, wykonują swoje pożądane funkcjonalności.

Nowa technologia opiera się na wcześniejszych małych robotach, a nowe dodatki obejmują zoptymalizowaną możliwość poruszania się w sześciu stopniach swobody (DoF), co oznacza ruch translacyjny wzdłuż trzech osi przestrzennych i ruch obrotowy wokół tych osi, lub kąty roll, pitch i yaw.

Naukowcy wcześniej opracowali już sześciostopniowe miniaturowe roboty, ale nowe wersje mogą się obracać 43 razy szybciej w krytycznym szóstym stopniu swobody, o ile ich orientacja jest precyzyjnie kontrolowana.

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

Ze względu na użycie “miękkich” materiałów w ich konstrukcji, roboty mogą replikować właściwości mechaniczne. Na przykład, jeden z nich może pływać, podczas gdy inny może chwytać, podnosić i umieszczać miniaturowe obiekty z precyzją.

Adiunkt Lum Guo Zhan ze Szkoły Medycyny i Inżynierii Lotniczej jest głównym autorem badania.

Według profesora Lum, główny postęp opiera się na odkryciu “nieuchwytnego” trzeciego i ostatniego wektora głównego pól magnetycznych. Przed tym odkryciem, stosowane pola magnetyczne były określone tylko w kategoriach dwóch wektorów głównych.

“Moja ekipa starała się odkryć podstawowe zasady działania miniaturowych robotów, które mają sześciostopniowe ruchy. Poprzez pełne zrozumienie fizyki tych miniaturowych robotów, jesteśmy teraz w stanie precyzyjnie kontrolować ich ruchy. Ponadto, nasza proponowana metoda produkcji może namagnesować te roboty, aby wytworzyć 51 do 297 razy większe siły obrotowe niż inne istniejące urządzenia. Nasze wyniki są więc przełomowe i reprezentują znaczący postęp w technologii małych robotów,” powiedział Asst. Prof Lum.

Miniaturowe roboty mają rozmiar ziarnka ryżu, więc są przydatne, gdy próbuje się dostać do zamkniętych i ograniczonych przestrzeni, które ograniczają duże roboty. Oznacza to, że nowy rozwój jest szczególnie przydatny w medycynie.

Roboty mogą być sterowane zdalnie przez operatora i program uruchamiany na komputerze kontrolnym. Program zmienia siłę i kierunek pól magnetycznych generowanych przez system cewek elektromagnetycznych.

W medycynie, miniaturowe roboty mogą dotrzeć do pewnych ważnych narządów, takich jak mózg, ale będą wymagały wielu testów i dostosowań, zanim będą mogły być stosowane w ten sposób.

Współautorami badań są studenci doktoranckie Xu Changyu i Yang Zilin ze Szkoły Inżynierii Mechanicznej i Lotniczej.

“Poza chirurgią, nasze roboty mogą być również przydatne w biomedycznych aplikacjach, takich jak montaż urządzeń lab-on-chip, które mogą być stosowane w diagnostyce klinicznej poprzez integrację kilku procesów laboratoryjnych na jednej płytce,” powiedzieli.

Testowanie robotów

Zespół badawczy przetestował roboty w eksperymentach laboratoryjnych i zademonstrował ich zręczność i szybkość.

Z botem inspirowanym meduzą, zespół kontrolował go, aby pływał przez wąską barierę otwarcia, gdy był zawieszony w wodzie. Ten eksperyment zademonstrował, jak roboty mogą negocjować bariery w dynamicznych i niepewnych środowiskach, co oznacza, że w przyszłości mogą być stosowane w celach biomedycznych, takich jak procedury chirurgiczne.

Miniaturowy robot przewyższył także największą prędkość obrotu jakiegokolwiek istniejącego miniaturowego robota.

Zespół badawczy będzie teraz starał się zrobić roboty jeszcze mniejsze, zmniejszając je do kilkuset mikrometrów. Chcą również, aby były one ostatecznie w pełni autonomiczne.