Оригами-роботы с магнитными мышцами для медицины

Новая 3D-печать позволяет создавать тончайшие магнитные 'мышцы', которые оживляют оригами-конструкции, придавая им движение.

Исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали инновационную технику 3D-печати, создавая тончайшую магнитную пленку. Эта пленка, пропитанная эластомерами, похожими на резину, и ферромагнитными частицами, может быть интегрирована в оригами-структуры. Под воздействием магнитного поля пленки функционируют как актуаторы, обеспечивая движение всей системы без ущерба для её структуры.

«Традиционные магнитные актуаторы используют небольшие жесткие магниты, знакомые по холодильникам. Их размещают на поверхности робота, чтобы он двигался», — поясняет Сяомэн Фан, ведущий автор исследования. «Наша разработка позволяет печатать тонкую пленку, которую можно наносить непосредственно на ключевые элементы оригами-робота, минимизируя потерю площади поверхности».

Первый прототип робота, созданный с использованием оригами-шаблона Miura-Ori, предназначен для доставки лекарств к язвам в организме человека. Эта техника позволяет компактно складывать большую плоскую поверхность. Магнитные «мышцы», прикрепленные к граням оригами, при активации магнитным полем помогают роботу раскрываться и находить целевую область.

По словам Фан, дизайн Miura-Ori идеально подходит для медицинских целей, так как его можно проглотить в сжатом виде, после чего он раскроется, используя всю свою поверхность для доставки лекарства. В ходе экспериментов робот был успешно проведён через имитацию желудка, направлен к язвенному участку, развернут и зафиксирован с помощью внешних мягких магнитных пленок. Такая система обеспечивает контролируемое и стабильное высвобождение препарата, предлагая безопасный и неинвазивный метод лечения, позволяющий пациентам вести обычный образ жизни.

Предыдущие попытки использования ферромагнитных частиц сталкивались с трудностями в достижении достаточной силы для движения роботов из-за невозможности высокой концентрации частиц в растворе. Добавление большого количества частиц делало резиновую смесь чёрной, что препятствовало затвердеванию под УФ-излучением. Дополнительное нагревание с помощью термопластины позволило значительно увеличить концентрацию ферромагнитных частиц, что и стало ключевым прорывом, обеспечивающим более сильное магнитное воздействие.

С использованием другого оригами-шаблона Miura-Ori был создан второй робот, способный к поступательному движению. При помещении в магнитное поле мышцы в определённых участках робота сокращаются, поднимая переднюю часть и подтягивая заднюю. При выключении поля робот совершает шаг вперёд. Этот роботизированный оригами-кроулер способен преодолевать препятствия высотой до 7 мм, а его скорость регулируется силой и частотой магнитного поля. Робот демонстрирует адаптивность к различным поверхностям, включая песок.

В совокупности эти два прототипа демонстрируют значительный потенциал мягких магнитных актуаторов и оригами-структур в робототехнике. «Существует множество различных типов оригами-структур, с которыми могут работать эти 'мышцы', открывая возможности в самых разных областях — от биомедицины до освоения космоса», — заключает Фан. «Будет интересно исследовать новые применения этой технологии».