研究人员开发形状可编程微型机器人 2017-02-02 01:22:28

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磁性纤毛和触手:带有微小的硅胶条,配有磁性颗粒,机器人可以通过外部磁场以类似水母,细菌或精子的方式移动

马克斯普朗克研究所的研究人员开发了可以使用的功能性弹性体磁场激活有一天,微型机器人可以像精子或宫颈一样在人体内游泳,在特定的位置进行医疗功能斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所的研究人员已开发出功能性弹性体,可通过用于模仿天然鞭毛,纤毛和水母的游泳步态的磁场使用专门开发的计算机算法,研究人员现在可以首次自动为每个步态生成最佳磁场条件据斯图加特的科学家介绍,其他应用形状编程技术包括众多其他微型工程师应用,其中化学和物理过程以微小的规模实施精子配备鞭毛(尾状延伸),可以不断地来回跳动,将精子推向卵子马克斯普朗克研究所的研究人员斯图加特的智能系统现在已经启用了一条极薄的硅橡胶条,长度只有几毫米,可以实现非常相似的游泳模式

为此,他们将可磁化的钕 - 铁 - 硼颗粒嵌入弹性硅橡胶中

随后以受控方式对弹性体进行磁化一旦将弹性体置于特定的磁场下,科学家就可以控制弹性体的形状,使其以波浪状的方式来回晃动科学家们也成功地模仿了复合体纤毛以非常相似的方式划船运动纤毛是在齿轮表面发现的非常细的毛发 - 它们推动器官通过使用高度复杂的划船冲程向前推进研究人员还构建了一种具有两个柔软触手的人造水母,它们经过编程可以进行划船般的游泳运动

所有这些运动过程背后的关键因素是弹性体的不同区域可以对外部磁场的反应不同:某些区域必须被吸引而其他区域被排斥否则,弹性体将不能重新成形为波形或开始在其末端卷起特殊磁化技巧为了使沿着磁场产生不同的磁响应弹性体,研究人员利用了两个关键思想:“首先,我们改变了可磁化颗粒沿弹性体的密度,其次我们还控制了这些颗粒的磁化方向,”物理智能系科学家郭湛Lum解释道

斯图加特马克斯普朗克研究所科学家控制了当地的浓度在制造过程中,在橡胶暴露于强磁场之后,橡胶的不同部分将具有不同的磁场强度

对于颗粒产生不同的磁化取向是具有挑战性的,因为扁平弹性体内的所有颗粒都具有在它们暴露于均匀磁化场之后的相同磁化方向因此,科学家利用了另一种技巧:“通过在磁化过程中将弹性体变形为特定的临时形状,我们能够控制单个磁体的最终磁化方向

Lum解释说,尽管磁性颗粒的所有磁化取向最初呈现平行取向,但当变形橡胶恢复到原始扁平形状时,沿着弹性体的这些颗粒将具有必要的磁化取向以用于后续形式

从那时起,研究人员使用较弱的磁场,不再改变弹性体的磁化方向和磁场强度

在这样的磁场下工作,沿着弹性体的某些区域被吸引而其他区域被排斥 - 弹性体可以相应地变成所需的形状

随着时间的推移,改变磁场的强度和方向,研究人员使软材料完成相关的复杂运动周期 在微机器人运动和微尺度工程应用中的应用“我们工作成功的关键之一是我们成功地计算出所需运动模式的最佳磁化强度和磁场,”Max Planck总监Metin Sitti说道

智能系统研究所为此,他和他的物理智能系的同事使用数学模型来描述形状可编程磁性微机器人的物理特性,并且该模型也用于开发相应的计算机算法 - 第一个科学家此前依赖于直觉,只能估计所需的磁场条件根据斯图加特的科学家的说法,将硅橡胶等软材料编程到功能器件中的能力可能会引起一系列应用的兴趣

例如,Metin Sitti可以想象将使用上述游泳运动d在医疗应用中有一天可以通过磁场引导迷你出租车,以便它们可以将药物或医疗设备运送到身体中的所需位置这不是研究人员在微机器人运动领域可以设想的唯一可能的应用材料的形状可以通过仅仅几分之一秒的磁场来调节和控制,这一事实可以用于所有需要在小空间内激活或机械操纵这些装置的应用中

因此,该技术也可以用于微尺度工程应用,例如控制芯片实验室技术所需的微型泵“我们希望形状可编程软材料能激发在许多领域工作的研究人员在广泛的范围内使用这种技术应用,“Metin Sitti出版物:郭湛Lum等人,”形状可编程磁性软物质,PNAS,2016; doi:101073 / pnas1608193113资料来源:马克斯普朗克研究所