С помощью магнита микроскопические «магнитороботы» выполняют сложные маневры.

Подпись : Команда создала шаровидные конструкции, напоминающие крошечные леденцы. Высота конструкций составляла менее миллиметра, а шарики были меньше песчинки. В шарики были внедрены магнитные частицы. Источник : Предоставлено исследователями. Подпись : Когда исследователи провели обычным магнитом по поверхности конструкций, леденцы притягивались к магниту под разными углами, образуя конфигурацию, имитирующую хватательные пальцы. Авторство : Предоставлено исследователями. Подпись : Кончик карандаша сравнивается с размером «магниторобота» в форме леденца, который изгибается в сторону магнита. Источник : Предоставлено исследователями.

Под микроскопом в чашке Петри с жидкостью мягко колышется букет из структур, похожих на леденцы, каждая из которых меньше песчинки. Внезапно они смыкаются, словно челюсти венериной мухоловки, когда ученый проводит над чашкой маленьким магнитом. То, что раньше представляло собой скопление крошечных пассивных структур, мгновенно превращается в активный роботизированный захват.

Захват в виде леденца — это один из примеров нового типа мягкого магнитного гидрогеля, разработанного инженерами из Массачусетского технологического института (MIT) и их коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии и Университета Цинциннати. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Matter, команда MIT сообщает о новом методе печати и изготовления геля, из которого можно создавать сложные, магнитно-активируемые трехмерные структуры.

Новый гель может стать основой для мягких микроскопических магниточувствительных роботов и материалов. Такие магнитороботы могут использоваться в медицине, например, для высвобождения лекарств или захвата образцов биопсии под воздействием внешнего магнита.

Приведение объектов в движение с помощью магнитов — не новость, по крайней мере, на макроуровне. Например, мы можем провести магнитом от холодильника над стопкой скрепок, и магнит будет следовать за ними. А на микроуровне ученые разработали множество магнитных «микроплавателей» — компонентов размером менее миллиметра, которые можно дистанционно направлять с помощью магнита, чтобы они протискивались через узкие пространства. В основном, эти конструкции работают за счет смешивания магнитных частиц с печатной смолой и притягивания всего «плавателя» в направлении внешнего магнита.

Воспроизвести видео

В отличие от этого, новый материал, разработанный командой из Массачусетского технологического института, позволяет создавать еще более сложные и деформируемые структуры с точностью до микрона. Эти особенности могут позволить магнитному миллироботу перемещать отдельные элементы и выполнять более сложные маневры.

«Теперь мы можем создавать мягкую, сложную трехмерную архитектуру с компонентами, способными двигаться и деформироваться сложным образом в пределах одной и той же микроскопической структуры», — говорит автор исследования Карлос Портела, доцент кафедры машиностроения имени Роберта Н. Нойса в Массачусетском технологическом институте. «Для мягкой микроскопической робототехники или для материалов, реагирующих на внешние воздействия, это может стать революционной возможностью».

В число соавторов исследования из Массачусетского технологического института входят аспиранты Рэйчел Сан и Эндрю Чен, а также Имин Цзи и Дэрил Йи из EPFL и Эрик Стюарт из Университета Цинциннати.

В мгновение ока

В Массачусетском технологическом институте группа Портелы разрабатывает новые метаматериалы — материалы, созданные с уникальной микроскопической архитектурой, которая обуславливает свойства, выходящие за рамки обычных. Портела изготовил множество таких метаматериалов, включая чрезвычайно прочные и эластичные структуры и конструкции, способные управлять звуком и выдерживать сильные удары.

В последнее время он расширил сферу своих исследований, включив в нее «программируемые» материалы, свойства которых можно изменять в ответ на внешние воздействия, такие как определенные химические вещества, свет, а также электрические и магнитные поля.

С точки зрения команды, магнитные стимулы выделяются среди остальных.

«Благодаря магниточувствительному материалу мы можем управлять им на расстоянии, и реакция происходит мгновенно», — говорит один из ведущих авторов исследования Эндрю Чен. «Нам не нужно ждать медленной химической реакции или физического процесса, и мы можем манипулировать материалом, не прикасаясь к нему».

В новом исследовании команда поставила перед собой цель создать магниточувствительный метаматериал, из которого можно изготавливать структуры размером менее миллиметра. Как правило, исследователи изготавливают микроструктуры с помощью двухфотонной литографии — высокоразрешающей технологии 3D-печати, при которой лазерный луч направляется в небольшую ёмкость со смолой. Повторяющиеся импульсы лазера создают микроскопический рисунок в смоле, которая затем затвердевает, образуя тот же рисунок, в конечном итоге создавая крошечную трёхмерную структуру слой за слоем.

Хотя 3D-печать смолой позволяет создавать сложные микроструктуры, использование того же процесса для печати магнитных структур до сих пор представляло собой сложную задачу. Исследователи пытались соединить смолу с магнитными наночастицами перед печатью смеси. Но магнитные частицы — это, по сути, кусочки металла, которые по своей природе рассеивают свет или агломерируются и непреднамеренно оседают. Ученые обнаружили, что любые магнитные частицы в смоле могут уменьшить мощность лазера в определенной точке и ослабить получающуюся структуру или вовсе предотвратить ее печать.

«Прямая 3D-печать деформируемых микроструктур с высоким содержанием магнитных частиц чрезвычайно сложна и часто предполагает компромисс между магнитной функциональностью и структурной целостностью», — говорит Сунь, один из ведущих авторов работы.

Печатная двойная печать

Исследователи разработали новый способ изготовления магнитных микроструктур, объединив 3D-печать смолой с процессом двойного погружения. Сначала исследователи применили обычную печать смолой для создания микроструктуры с использованием типичного полимерного геля без добавления магнитных частиц. Затем они погрузили напечатанный гель в раствор, содержащий ионы железа, которые гель способен поглощать. После этого пропитанную железом структуру снова погрузили во второй раствор гидроксид-ионов. Ионы железа в геле связываются с гидроксид-ионами, образуя наночастицы оксида железа, которые по своей природе являются магнитными.

Благодаря этому новому процессу команда может печатать сложные структуры размером менее миллиметра и придавать им магнитные свойства после печати. Более того, они могут контролировать магнитные свойства отдельных элементов структуры. Они обнаружили, что, регулируя мощность лазера во время печати определенных элементов, они могут устанавливать степень сшивания, или «плотность» геля после печати. Чем плотнее гель, тем меньше магнитных частиц он может образовать. Таким образом, исследователи могут определить, насколько магнитным может быть каждый крошечный элемент.

«Это обеспечивает беспрецедентную свободу проектирования для печати многофункциональных структур и материалов в микромасштабе», — говорит Сунь.

В качестве демонстрации команда изготовила шаровидные структуры, напоминающие крошечные леденцы. Высота структур составляла менее миллиметра, а шарики были меньше песчинки. Исследователи напечатали леденцы из полимерного геля и наполнили каждый шарик разным количеством магнитных частиц, придав им различную степень магнетизма. Под микроскопом они наблюдали, что когда они проводили обычным магнитом по структурам, леденцы притягивались к магниту с разной степенью притяжения, образуя конфигурацию, имитирующую хватательные пальцы.

«Можно представить, что подобная магнитная конструкция могла бы действовать как небольшой робот, которого можно было бы перемещать по телу с помощью внешнего магнита, и он мог бы, например, цепляться за что-нибудь, чтобы взять биопсию», — говорит Портела. «Это видение, которое другие могут позаимствовать из этой работы».

Команда также изготовила магниточувствительный «бистабильный» переключатель. Сначала они напечатали небольшой прямоугольник из полимерного геля длиной в миллиметр и прикрепили к его краям четыре крошечные магнитные структуры, похожие на весла. Каждое весло имело толщину около 8 микрон — примерно размером с эритроцит. Когда команда прикладывала магнит к одному концу прямоугольника, весла поворачивались в сторону магнита, притягивая прямоугольник в том же направлении и фиксируя его в этом положении. Когда магнит прикладывался к другому концу, весла снова поворачивались, притягивая прямоугольник, как переключатель, в противоположном направлении.

«Мы считаем, что это новый тип бистабильного механизма, который можно использовать, например, в микрофлюидном устройстве в качестве магнитного клапана для открытия или закрытия потока», — говорит Портела. «На данный момент мы выяснили, как создавать сложные магнитные структуры в микромасштабе, а также пространственно настраивать их свойства. Это открывает множество интересных идей для мягких миниатюрных роботов в будущем».

Данное исследование было частично поддержано Национальным научным фондом и программой грантов MathWorks для начинающих исследователей.

Данная работа частично выполнена в лабораториях MIT.nano по изготовлению и характеризации наноматериалов.

Источник: news.mit.edu