Роботи розміром з міліметр, керовані магнітними полями

Університет Наньян (NTU Singapore) створив міліметрові роботи, які можна керувати за допомогою магнітних полів. Ці роботи здатні виконувати високо маневрені та дexterous маніпуляції, і вони можуть мати великий вплив у сфері біомедицини та виробництва.

Дослідження було опубліковано в науковому журналі Advanced Materials у травні.

Розробка існуючих малих роботів

Мікророботи були створені шляхом впровадження магнітних мікрочастинок у біосумісні полімери, які є нетоксичними матеріалами для людей. Роботи програмуються так, щоб при застосуванні магнітних полів вони виконували свої бажані функції.

Нова технологія була розроблена на основі попередніх малих роботів, і нові доповнення включають оптимізовану здатність рухатися у шести ступенях свободи (DoF), що є трансляційним рухом уздовж трьох просторових осей і обертальним рухом навколо цих осей, або кутами крену, тангажу і рискання.

Дослідники вже раніше розробили шестиступеневі мініатюрні роботи, але нові версії можуть обертатися у 43 рази швидше у критичному шостому ступені свободи, якщо їх орієнтація точно контролюється.

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

Через використання «м’яких» матеріалів у їхній конструкції, роботи можуть відтворювати механічні якості. Наприклад, одна робота може плавати, тоді як інша може хапати, піднімати та ставити мініатюрні об’єкти точно.

Асистент професора Люм Гуо Чжан з школи медицини та аерокосмічного інженерства є головним автором дослідження.

За словами професора Люма, основний прогрес сильно залежить від відкриття «елусивної» третьої та останньої основної вектора магнітних полів. До цього відкриття застосовані магнітні поля були визначені лише двома основними векторами.

“Моя команда намагалася розкрити фундаментальні робочі принципи мініатюрних роботів, які мають шестиступеневі рухи, через цю роботу. Повністю розуміючи фізику цих мініатюрних роботів, ми тепер можемо точно контролювати їх рухи. Крім того, наш запропонований метод виготовлення може намагнітися цих роботів для виробництва 51-297 разів більших шестиступеневих крутних моментів, ніж інші існуючі пристрої. Наші висновки є тому важливими і представляють значний прогрес для малих робототехнічних технологій”, сказав асистент професора Люм.

Мікророботи мають розмір близько зерна рису, тому вони корисні, коли потрібно дістатися до замкнутих і обмежених просторів, які обмежують великі роботи. Це означає, що новий розвиток особливо корисний у медицині.

Роботи можна керувати дистанційно оператором і програмою, що працює на контрольному комп’ютері. Програма змінює силу і напрям магнітних полів, генерованих електромагнітною системою.

У медицині мініатюрні роботи можуть досягти певних життєво важливих органів, таких як мозок, але для цього потрібно буде провести багато тестів і налаштувань, перш ніж вони зможуть бути застосовані в цьому напрямку.

Співавторами дослідження є аспіранти Сю Чаню і Ян Цзілін з школи механічної та аерокосмічної інженерії.

“Крім хірургії, наші роботи можуть бути корисними у біомедичних застосуваннях, таких як збірка лабораторних пристроїв на одному чипі, які можна використовувати для клінічної діагностики шляхом інтеграції декількох лабораторних процесів на одному чипі”, сказали вони.

Тестування роботів

Дослідницька команда протестувала роботи в лабораторних експериментах і продемонструвала їхню спритність і швидкість.

З медузоподібним роботом команда керувала ним, щоб він проплив через вузьку бар’єрну відкриття, коли був підвішений у воді. Цей експеримент продемонстрував, як роботи можуть переміщатися через бар’єри в динамічних і невизначених середовищах, тобто в майбутньому вони можуть бути використані для цілевих біомедичних застосунків, таких як хірургічні процедури.

Мікроробот також перевершив найшвидшу обертальну швидкість будь-якого існуючого мініатюрного робота.

Дослідницька команда тепер планує зробити роботи ще меншими, зменшивши їх розмір до декількох сотень мікрометрів. Вони також хочуть, щоб вони стали повністю автономними.