Magnetische robots kunnen lopen, kruipen en zwemmen (Video)

“Dit is de eerste keer dat het lukt om driedimensionale voortbeweging van robots te kunnen besturen met een eendimensionaal magnetisch veld”, zegt professor Polina Anikeeva, wiens team op 3 juni een open access paper over de magnetische robots publiceerde. in het tijdschrift Advanced Materials. “En omdat ze voornamelijk uit polymeer bestaan ​​en polymeren zacht zijn, heb je geen heel groot magnetisch veld nodig om ze te activeren. Het is eigenlijk een heel klein magnetisch veld dat deze robots aandrijft”, voegt Anikeeva toe,

De nieuwe robots zijn zeer geschikt om vracht door krappe ruimtes te vervoeren en hun rubberen behuizing is zacht voor kwetsbare omgevingen, waardoor de mogelijkheid ontstaat dat de technologie kan worden ontwikkeld voor biomedische toepassingen. Anikeeva en haar team hebben hun robots millimeters lang gemaakt, maar ze zegt dat dezelfde aanpak kan worden gebruikt om nog veel kleinere robots te produceren.

Anikeeva zegt dat tot nu toe magnetische robots hebben bewogen als reactie op bewegende magnetische velden. Ze legt uit: “Als je wilt dat je robot loopt, loopt je magneet mee. Als je wilt dat hij draait, draai je je magneet.” Dat beperkt de instellingen waarin dergelijke robots kunnen worden ingezet. “Als je probeert te werken in een zeer krappe omgeving, is een bewegende magneet misschien niet de veiligste oplossing. Je wilt een stationair instrument kunnen hebben dat alleen een magnetisch veld uitoefent op het hele monster”, legt ze uit.

Youngbin Lee, een voormalige  PhD-student in het laboratorium van Anikeeva, bedacht een oplossing voor dit probleem. De robots die hij in het laboratorium van Anikeeva heeft ontwikkeld, zijn niet uniform gemagnetiseerd. In plaats daarvan zijn ze strategisch gemagnetiseerd in verschillende zones en richtingen, zodat een enkel magnetisch veld de aandrijving van magnetische krachten mogelijk maakt.

Voordat ze echter worden gemagnetiseerd, moeten de flexibele, lichtgewicht robots worden vervaardigd. Lee start dit proces met twee soorten rubber, elk met een andere stijfheid. Deze worden op elkaar geklemd, vervolgens verwarmd en uitgerekt tot een lange, dunne vezel. Vanwege de verschillende eigenschappen van de twee materialen behoudt een van de rubbers zijn elasticiteit door dit rekproces, maar de andere vervormt en kan niet terugkeren naar zijn oorspronkelijke grootte. Dus wanneer de spanning wordt losgelaten, trekt één laag van de vezel samen, terwijl de andere laag het geheel in een strakke spiraal trekt. Anikeeva zegt dat de spiraalvormige vezel is gemodelleerd naar de kronkelige ranken van een komkommerplant, die spiraalsgewijs bewegen doordat de eerste laag cellen water verliest en sneller samentrekt dan een tweede laag.

Een derde materiaal – waarvan de deeltjes het potentieel hebben om magnetisch te worden – is opgenomen in een ‘kanaal’ dat door de rubberachtige vezel loopt. Dus als de spiraal eenmaal is gemaakt, is het mogelijk een magnetisch patroon te introduceren om een specifieke beweging te programmeren.
“Youngbin dacht heel goed na over hoe we onze robots konden magnetiseren, zodat ze konden bewegen zoals hij ze had geprogrammeerd om te bewegen”, zegt Anikeeva. “Hij maakte berekeningen om te bepalen hoe we er zo’n profiel van krachten op kunnen zetten als we een magnetisch veld aanleggen dat het daadwerkelijk gaat lopen of kruipen.”

Om bijvoorbeeld een rupsachtige kruipende robot te vormen, wordt de spiraalvormige vezel gevormd tot zachte golvingen, en vervolgens worden het lichaam, de kop en de staart gemagnetiseerd zodat een magnetisch veld dat loodrecht op het bewegingsvlak van de robot wordt uitgeoefend, ervoor zorgt dat het lichaam gaat samendrukken. Wanneer je het veld tot nul terugbrengt wordt de compressie opgeheven en strekt de kruipende robot zich uit. Samen stuwen deze bewegingen de robot vooruit. Een andere robot waarin twee voetachtige spiraalvormige vezels zijn verbonden met een gewricht, kreeg een magnetisch patroon dat een beweging mogelijk maakt die meer op lopen lijkt.

Biomedische toepassingen
Het is mogelijk elke specifieke robottaak te programmeren, waardoor de robots eenvoudig te bedienen zijn. Een zwak magnetisch veld activeert het programma van elke robot en drijft zijn specifieke type beweging van de robot aan. Een enkel magnetisch veld kan zelfs meerdere robots in tegengestelde richting laten bewegen, als ze daarvoor zijn geprogrammeerd. Het team ontdekte dat een kleine manipulatie van het magnetische veld een nuttig effect heeft: met een schakelaar om het veld om te keren, kan een robot die een object vervoert zachtjes schudden en zijn lading vrijgeven.

Anikeeva kan zich voorstellen dat deze robots met een zacht lichaam – die gemakkelijk op grotere schaal te produceren zijn – objecten kunnen vervoeren door smalle pijpen of zelfs in het menselijk lichaam. Ze kunnen bijvoorbeeld een medicijn door nauwe bloedvaten vervoeren en het precies daar vrijgeven waar het nodig is. De magnetisch aangedreven apparaten hebben volgens haar ook een biomedisch potentieel dat verder reikt dan de toepassing in robots. Ze zouden kunnen worden opgenomen in kunstmatige spieren of materialen die weefselregeneratie ondersteunen.