Микророботы однажды смогут плавать по человеческому телу и оказывать там медицинские услуги.
Исследователи из Института интеллектуальных систем имени Макса Планка в Штутгарте разработали намагниченные резиновые полосы, имитирующие движения плавания натуральных жгутиков, ресниц или щупальцев в магнитном поле.
Ученые также видят дальнейшее применение для контролируемой деформации мелких компонентов в микропроцессорной технике, в которой химические и физические процессы выполняются в очень малых масштабах.
Имитация движения
Исследователи из Института интеллектуальных систем имени Макса Планка в Штутгарте в настоящее время делают возможным перемещение тонкой полосы из силиконового каучука длиной всего несколько миллиметров.
Они добавили частицы намагничиваемой неодим-железо-борной смеси в эластичную резину. С помощью магнитного поля, наносимого снаружи, они смогли целенаправленно изменять форму резиновой ленты и наносить удары туда-сюда волнистым способом.
Аналогичным образом ученым также удалось имитировать сложное гребное движение ресничек. Реснички - это очень тонкие волоски, которые, например, на поверхности парамеций подталкивают их очень сложными ударами весел.
Кроме того, исследователи построили своего рода искусственную медузу с двумя силиконовыми щупальцами. Эти резиновые щупальца также позволяют им выполнять плавные движения, похожие на руль, с помощью магнитного поля.
Непосредственное управление микророботами через такие намагниченные искусственные реснички и щупальца более эффективно, чем обеспечение крошечных поплавков магнитными частицами и перемещение их непосредственно через жидкость с внешним магнитным полем.
Плотность и ориентация магнитных частиц
Взаимодействие с внешним магнитным полем имело значение для обеспечения того, чтобы последовательности движения биологических моделей также функционировали в искусственном плавающем теле: отдельные участки резиновых полос должны были по-разному реагировать на это.
Одни зоны должны привлекаться, другие отталкиваться. В противном случае, полосы не могли бы, например, быть деформированы в волну или завернуты на одном из концов. Исследователи использовали два регулировочных винта для обеспечения различных движений.
"С одной стороны, мы варьировали плотность намагниченных частиц вдоль силиконовой полосы и, с другой стороны, магнитную ориентацию этих частиц," - объясняет Гуо Чжан Лум, ученый отдела физической разведки Института Макса Планка в Штутгарте.
Ученые контролировали местную концентрацию частиц непосредственно в процессе производства, чтобы придать магнитным диполям частиц желаемую ориентацию, они подвергают всю резину сильному магнитному полю.
Целенаправленные деформации контролируют выравнивание магнитных диполей
Поскольку все частицы в равномерном магнитном поле ориентируются одинаково, что было бы невозможно при использовании плоской резиновой полосы, ученые использовали другой опыт:
"Сначала мы смогли точно контролировать конечную ориентацию отдельных магнитных диполей с помощью специальной деформации резиновой полосы," - объясняет Лум.
Хотя все магнитные диполи в магнитном поле были выровнены параллельно, они не могли быть выровнены таким же образом. Но когда резина вернулась в первоначальную плоскую форму, эти диполи были направлены вдоль резиновой полосы в направлении, необходимом для последующего движения. В этой области одни участки вдоль резиновой полосы притягивались, другие отталкивались - и резина деформировалась соответствующим образом.
Изменяя силу и направление поля с течением времени, исследователи позволили полосам пройти через соответствующие сложные циклы движения.
Применение в миниатюрной транспортной и микропроцессорной технике
"Главный успех нашей работы заключается в том, что мы можем рассчитать намагничивание и оптимальные свойства магнитного поля для конкретной схемы движения", - говорит Метин Ситти, директор Института интеллектуальных систем Макса Планка.
С этой целью он и его коллеги из группы "Физический интеллект" описали механизм движения с помощью математической модели и разработали соответствующую компьютерную программу.
До тех пор, чтобы определить магнитный каркас, ученые полагались на интуицию и оценку.
С точки зрения штутгартских ученых, целенаправленная и обратимая деформация мягких материалов может представлять интерес для целого ряда областей применения.
Однако исследователи видят не только потенциальные области применения в миниатюрных транспортных системах. Тот факт, что форму материалов можно регулировать за доли секунды с помощью магнитного поля, можно использовать везде, где необходимо что-то переключать или механически контролировать в небольшом пространстве.
Технология также может быть использована и в медицине, и в машиностроении.