Роботы размером с миллиметр, управляемые магнитными полями

Ученые в Наньянском технологическом университете Сингапура (NTU Singapore) разработали роботов размером с миллиметр, которые управляются магнитными полями. Эти роботы способны выполнять высокоманевренные и ловкие манипуляции, и они могут иметь большое влияние в таких областях, как биомедицина и производство.

Исследование было опубликовано в научном журнале Advanced Materials в мае.

Развитие существующих небольших роботов

Миниатюрные роботы были созданы путем внедрения магнитных микрочастиц в биосовместимые полимеры, которые являются нетоксичными материалами для человека. Роботы запрограммированы так, что когда к ним прикладываются магнитные поля, они выполняют желаемые функции.

Новая технология построена на основе предыдущих небольших роботов, и новые дополнения включают оптимизированную способность двигаться в шести степенях свободы (DoF), что является трансляционным движением вдоль трех пространственных осей и вращательным движением вокруг этих осей, или крен, тангаж и рыскание.

Исследователи ранее уже разработали небольшие роботы с шестью степенями свободы, но новые версии могут вращаться в 43 раза быстрее в критической шестой степени свободы, если их ориентация точно контролируется.

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

Благодаря использованию «мягких» материалов в их конструкции, роботы могут воспроизводить механические качества. Например, один может плавать, а другой может схватить, поднять и точно положить миниатюрные объекты.

Ассистент профессора Люм Гуо Чжан из Школы медицины и аэрокосмического инженерного дела является основным автором исследования.

По словам профессора Люма, основное достижение сильно зависит от открытия «неуловимого» третьего и последнего основного вектора магнитных полей. До этого открытия применяемые магнитные поля определялись только в терминах двух основных векторов.

“Моя команда стремилась раскрыть фундаментальные принципы работы небольших роботов, имеющих шесть степеней свободы, через эту работу. Понимая физику этих небольших роботов, мы теперь можем точно контролировать их движения. Кроме того, наш предложенный метод изготовления может намагнитить эти роботы, чтобы произвести 51-297 раз больше шести степеней свободы, чем другие существующие устройства. Наши находки, таким образом, являются решающими и представляют собой значительный прорыв для небольших робототехнических технологий”, – сказал асс. проф. Люм.

Миниатюрные роботы имеют размер примерно с зерно риса, поэтому они полезны, когда необходимо добраться до замкнутых и ограниченных пространств, которые ограничивают больших роботов. Это означает, что новое развитие особенно полезно в медицине.

Роботы могут быть управляемы удаленно оператором и программой, работающей на управляющем компьютере. Программа изменяет силу и направление магнитных полей, генерируемых электромагнитной катушкой.

В медицине миниатюрные роботы могут достичь определенных жизненно важных органов, таких как мозг, но для этого потребуется много больше тестирования и доработки, прежде чем они смогут быть применены таким образом.

Соавторами исследования являются аспиранты Сю Чанью и Ян Цзилинь из Школы механической и аэрокосмической инженерии.

“Помимо хирургии, наши роботы также могут быть ценными в биомедицинских приложениях, таких как сборка устройств лаборатории на кристалле, которые могут быть использованы для клинической диагностики путем интеграции нескольких лабораторных процессов на одном кристалле”, – сказали они.

Тестирование роботов

Исследовательская команда протестировала роботов в лабораторных экспериментах и продемонстрировала их ловкость и скорость.

С помощью робота, вдохновленного медузой, команда контролировала его, чтобы он проплыл через узкую преграду, когда был подвешен в воде. Этот эксперимент продемонстрировал, как роботы могут ориентироваться в преградах в динамических и неопределенных средах, что означает, что в будущем они могут быть использованы для целевых биомедицинских приложений, таких как хирургические процедуры.

Миниатюрный робот также превысил самый быстрый поворот любого существующего миниатюрного робота.

Исследовательская команда теперь намерена сделать роботов еще меньше, уменьшив их до нескольких сотен микрометров. Они также хотят, чтобы они в конечном итоге стали полностью автономными.