Ett team av forskare från Georgia Institute of Technology och Ohio State University har utvecklat ett mjukt polymermaterial, kallad magnetisk formminnespolymer, som använder magnetfält för att omvandla till en mängd olika former. Materialet kan möjliggöra en rad nya applikationer från antenner som ändrar frekvenser i farten till griparmar för ömtåliga eller tunga föremål.

Materialet är en blandning av tre olika ingredienser, alla med unika egenskaper:två typer av magnetiska partiklar, en för induktiv värme och en med stark magnetisk attraktion, och formminnespolymerer för att hjälpa till att låsa olika formförändringar på plats.

"Detta är det första materialet som kombinerar styrkorna hos alla dessa individuella komponenter till ett enda system som kan snabba och omprogrammerbara formförändringar som är låsbara och reverserbara, sa Jerry Qi, en professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Tech.

Forskningen, som redovisades 9 december i tidskriften Avancerade material , sponsrades av National Foundation of Science, flygvapnets kontor för vetenskaplig forskning, och energidepartementet.

För att göra materialet, forskarna började med att fördela partiklar av neodymjärnbor (NdFeB) och järnoxid i en blandning av formminnespolymerer. När partiklarna väl var helt införlivade, forskarna formade sedan den blandningen till olika föremål utformade för att utvärdera hur materialet presterade i en serie applikationer.

Till exempel, teamet gjorde en gripklo av en t-formad form av polymerblandningen med magnetiskt formminne. Att tillämpa en högfrekvens, oscillerande magnetfält till föremålet gjorde att järnoxidpartiklarna värmdes upp genom induktion och värmde upp hela griparen. Den där temperaturhöjningen, i tur och ordning, fick formminnespolymermatrisen att mjukna och bli böjlig. Ett andra magnetfält applicerades sedan på griparen, vilket gör att klorna öppnas och stängs. När formminnespolymererna svalnar igen, de förblir låsta i det läget.

Formförändringsprocessen tar bara några sekunder från början till slut, och materialets styrka i sitt låsta tillstånd gjorde att griparen kunde lyfta föremål upp till 1, 000 gånger sin egen vikt.

"Vi föreställer oss att det här materialet är användbart för situationer där en robotarm skulle behöva lyfta ett mycket känsligt föremål utan att skada det, såsom i livsmedelsindustrin eller för kemiska eller biomedicinska tillämpningar, sa Qi.

Det nya materialet bygger på tidigare forskning som beskrev aktiveringsmekanismer för mjuk robotik och aktiva material och utvärderade begränsningarna i nuvarande teknologier.

"Frihetsgraden är begränsad i konventionell robotteknik", sa Ruike (Renee) Zhao, en biträdande professor vid institutionen för mekanisk och rymdteknik i Ohio State. "Med mjuka material, den graden av frihet är obegränsad."

Forskarna testade även andra applikationer, där spolformade föremål gjorda av det nya materialet expanderade och drogs tillbaka - simulerar hur en antenn potentiellt kan ändra frekvenser när den aktiveras av magnetfälten.

"Denna process kräver att vi använder magnetfält endast under aktiveringsfasen, " sa Zhao. "Så, när ett föremål har nått sin nya form, den kan låsas där utan att ständigt förbruka energi."