Роботы миллиметрового размера, управляемые магнитными полями

Ученые из Наньянского технологического университета Сингапура (NTU Singapore) разработали роботов миллиметрового размера, управляемых с помощью магнитных полей. Эти роботы способны выполнять очень маневренные и ловкие манипуляции, и они могут оказать большое влияние в таких областях, как биомедицина и производство. 

Исследование опубликовано в научном журнале Передовые материалы в мае. 

Использование существующих малогабаритных роботов

Миниатюрные роботы были созданы путем внедрения магнитных микрочастиц в биосовместимые полимеры, которые не являются токсичными для человека материалами. Роботы запрограммированы таким образом, что при приложении магнитных полей они выполняют желаемые функции. 

Новая технология основана на предыдущих небольших роботах, а новые дополнения включают в себя оптимизированную способность двигаться с шестью степенями свободы (DoF), то есть поступательное движение вдоль трех пространственных осей и вращательное движение вокруг этих осей или вращение. , углы тангажа и рыскания. 

Ранее исследователи уже разработали шесть миниатюрных роботов DoF, но новые версии могут вращаться в 43 раза быстрее в критической шестой DoF, если их ориентация точно контролируется.

Благодаря использованию в конструкции «мягких» материалов роботы могут воспроизводить механические свойства. Например, один может плавать, а другой может точно хватать, поднимать и размещать миниатюрные предметы. 

Доцент Лум Го Чжань из Школы медицины и аэрокосмической техники является ведущим автором исследования.

По словам профессора Лама, главный прогресс в значительной степени зависит от открытия «неуловимого» третьего и последнего главного вектора магнитных полей. До этого открытия приложенные магнитные поля определялись только двумя главными векторами. 

«С помощью этой работы моя команда стремилась раскрыть основные принципы работы миниатюрных роботов с шестью степенями свободы. Полностью поняв физику этих миниатюрных роботов, мы теперь можем точно контролировать их движения. Кроме того, предлагаемый нами метод изготовления может намагничивать этих роботов для создания крутящего момента с шестью степенями свободы в 51–297 раз больше, чем у других существующих устройств. Таким образом, наши результаты имеют ключевое значение и представляют собой значительный прогресс в области маломасштабных робототехнических технологий», — сказал ассистент. Проф Люм.

Миниатюрные роботы имеют размеры примерно с рисовое зерно, поэтому они полезны при попытке добраться до ограниченных и закрытых пространств, которые ограничивают возможности больших роботов. Это означает, что новая разработка особенно полезна в медицине.

Роботы могут управляться удаленно оператором и программой, работающей на управляющем компьютере. Программа изменяет силу и направление магнитных полей, создаваемых системой электромагнитных катушек. 

В медицине миниатюрные роботы могут достигать определенных жизненно важных органов, таких как мозг, но потребуется гораздо больше испытаний и настроек, прежде чем их можно будет применять таким образом.

Соавторами исследования являются аспиранты Сюй Чаньюй и Ян Цзилинь из Школы машиностроения и аэрокосмической техники. 

«Помимо хирургии, наши роботы также могут быть полезны в биомедицинских приложениях, таких как сборка устройств «лаборатория на чипе», которые можно использовать для клинической диагностики путем интеграции нескольких лабораторных процессов на одном чипе», — сказали они. 

Тестирование роботов

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

С ботом, вдохновленным медузой, команда управляла им, чтобы он проплыл через плотно открывающийся барьер, когда он был подвешен в воде. Этот эксперимент продемонстрировал, как роботы могут преодолевать барьеры в динамичной и неопределенной среде, а это означает, что в будущем их можно будет использовать для целевых биомедицинских приложений, таких как хирургические процедуры. 

Миниатюрный робот также превзошел по скорости вращения всех существующих миниатюрных роботов. 

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