Роботи міліметрового розміру, керовані магнітними полями

Вчені з Наньянського технологічного університету в Сінгапурі (NTU Singapore) розробили роботів міліметрового розміру, якими керують магнітні поля. Ці роботи здатні виконувати дуже маневрені та спритні маніпуляції, і вони можуть мати великий вплив у таких сферах, як біомедицина та виробництво. 

Дослідження опубліковано в науковому журналі нові матеріали у травні. 

Розробка на основі існуючих малих роботів

Мініатюрних роботів створили шляхом вбудовування магнітних мікрочастинок у біосумісні полімери, які є нетоксичними для людини матеріалами. Роботи запрограмовані таким чином, що при застосуванні магнітних полів вони виконують свої бажані функції. 

Нова технологія побудована на основі попередніх невеликих роботів, а нові доповнення включають оптимізовану здатність рухатися за шістьма ступенями свободи (DoF), що є поступальним рухом уздовж трьох просторових осей і обертальним рухом навколо цих осей, або коченням. , кути тангажу та повороту. 

Дослідники вже розробили шість мініатюрних роботів DoF, але нові версії можуть обертатися в 43 рази швидше в критичному шостому DoF, якщо їхня орієнтація точно контролюється.

Завдяки використанню «м’яких» матеріалів у своїй конструкції роботи можуть відтворювати механічні якості. Наприклад, один може плавати, а інший може хапати, брати та точно розміщувати мініатюрні предмети. 

Провідним автором дослідження є доцент Лум Гуо Чжан зі Школи медицини та аерокосмічної техніки.

За словами професора Лума, головний прогрес значною мірою залежить від відкриття «невловимого» третього й останнього головного вектора магнітних полів. До цього відкриття прикладені магнітні поля визначалися лише двома головними векторами. 

«Моя команда прагнула розкрити фундаментальні принципи роботи мініатюрних роботів, які мають шість DoF рухів у цій роботі. Повністю розуміючи фізику цих мініатюрних роботів, тепер ми можемо точно контролювати їхні рухи. Крім того, запропонований нами метод виготовлення може намагнічувати цих роботів, щоб виробляти в 51-297 разів більший крутний момент із шістьма DoF, ніж інші існуючі пристрої. Таким чином, наші висновки є ключовими, і вони є значним прогресом для невеликих робототехнічних технологій», – сказав асистент. Професор Лум.

Розмір мініатюрних роботів приблизно схожий на рисове зернятко, тому вони корисні, коли намагаються дістатися до обмежених і замкнутих просторів, які обмежують великих роботів. Це означає, що нова розробка особливо корисна в медицині.

Роботами можна керувати дистанційно за допомогою оператора та програми, що працює на керуючому комп’ютері. Програма змінює силу та напрямок магнітних полів, створюваних системою електромагнітної котушки. 

У медицині мініатюрні роботи можуть досягати певних життєво важливих органів, таких як мозок, але потрібно буде ще багато випробувань і налаштувань, перш ніж їх можна буде застосувати таким чином.

Співавтори дослідження включають аспірантів Сюй Чанюй і Ян Цзилінь зі Школи машинобудування та аерокосмічної інженерії. 

«Крім хірургії, наші роботи також можуть мати значення в біомедичних програмах, таких як збірка лабораторних пристроїв на чіпі, які можна використовувати для клінічної діагностики шляхом інтеграції кількох лабораторних процесів на одному чіпі», — сказали вони. 

Тестування роботів

Дослідницька група перевірила роботів у лабораторних експериментах і продемонструвала їх спритність і швидкість. 

За допомогою бота, натхненного медузами, команда керувала тим, щоб він пропливав через щільний бар’єр, коли він був у воді. Цей експеримент продемонстрував, як роботи можуть долати бар’єри в динамічних і невизначених середовищах, тобто в майбутньому їх можна буде використовувати для цільових біомедичних застосувань, таких як хірургічні процедури. 

Мініатюрний робот також перевершив найшвидше обертання з усіх існуючих мініатюрних роботів. 

Тепер дослідницька група намагатиметься зробити роботів ще меншими, зменшивши їх до кількох сотень мікрометрів. Вони також хочуть, щоб вони зрештою стали повністю автономними.