Микророботов научили самостоятельно адаптироваться к окружающей среде

[wais]

Hen-Wei Huang et al. / Science Advances, 2019



Швейцарские и британские инженеры разработали микроробота, управляемого внешним магнитным полем и способного самостоятельно менять свою форму при изменении вязкости окружающей среды. Потенциально такие роботы могут позволить проводить исследования внутри человеческого тела, а также адресно доставлять лекарства к конкретным частям органов. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Science Advances.

В современной робототехнике существует отдельное направление разработки миниатюрных объектов, способных работать внутри человеческого организма. Поскольку при размере в несколько миллиметров или даже меньше сделать полноценного робота с собственным мотором и источником питания крайне сложно, обычно для этой цели инженеры создают пассивные объекты, такие как полоски, управляемые внешним магнитным полем. Благодаря воздействию поля они могут двигаться в определенном направлении и выполнять более сложные действия, такие как захват и высвобождение объектов. Однако, в некоторых случаях, робот также должен иметь возможность действовать самостоятельно.

Группа инженеров под руководством Брэдли Нельсона (Bradley Nelson) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха создала нового микроробота, который может работать под управлением внешнего магнитного поля, а также автономно меняет свои характеристики при изменении характеристик окружающей жидкости. Робот представляет собой полоску из гидрогеля с включениями частиц магнетита. Во время создания роботов исследователи вырезали нужную им форму: обычную полоску или полоску с небольшим ответвлением, служащим аналогом жгутика бактерий.



Особенность полосок заключается в том, что на этапе их создания инженеры создавали в них с помощью магнитного поля неравномерное распределение магнитных наночастиц по толщине, из-за чего их коэффициент абсорбции воды и набухания отличался. Неравномерное набухание полоски приводит к ее изгибу и сворачиванию в форму, задаваемую инженерами на этапе создания. Поскольку в полоске находятся магнитные наночастицы, их движением можно управлять дистанционно, меняя параметры магнитного поля.

Схема создания микророботов с разной структурой
Hen-Wei Huang et al. / Science Advances, 2019
Поделиться

После создания множества прототипов исследователи провели различные эксперименты с ними. К примеру, они выяснили, что ориентация намагниченности наночастиц во время создания полосок сильно влияет на их последующее поведение под воздействием магнитного поля. К примеру, больший угол разориентации намагниченности и направления полоски приводит к большему времени реакции во время поворотов. Кроме того, инженеры выяснили, что характер движения робота в жидкости сильно меняется при изменении ее вязкости и при высоких уровнях вязкости среды робот меньше отклоняется от направления движения.

Зависимость характера движения от вязкости жидкости
Hen-Wei Huang et al. / Science Advances, 2019
Поделиться

Также исследователи выяснили, что при низкой жесткости робота он может преодолевать сильно изогнутые каналы с диаметром, примерно равным его собственному. Наконец, они установили, что осмотическая концентрация всех растворенных в жидкости частиц также влияет на форму робота и характер его движения из-за того, что это меняет степень набухания одного из его слоев и приводит к изменению формы.


Недавно американские инженеры научились создавать робополоски, разные части которых реагируют на внешнее магнитное поле разным образом. Для этого они создали 3D-принтер с электромагнитом вокруг печатающей головки, позволяющим задавать ориентацию намагниченности магнитных частиц в материале во время печати.