MIT Spiderlike Grabber (hexapedal struktur) (före) Kredit:Yoonho Kim &Xuanhe Zhao
MIT-ingenjörer har skapat mjuka, 3D-tryckta strukturer vars rörelser kan styras med en magnetvåg, ungefär som marionetter utan snören.
Menageriet av strukturer som kan magnetiskt manipuleras inkluderar en slät ring som skrynklar sig, ett långt rör som klämmer ihop sig, ett lakan som viker sig, och en spindelliknande "grabber" som kan krypa, rulla, hoppa, och knäppa ihop tillräckligt snabbt för att fånga en passningsboll. Det kan till och med riktas till att linda sig runt ett litet piller och bära det över ett bord.
Forskarna tillverkade varje struktur från en ny typ av 3-D-utskrivbart bläck som de infunderade med små magnetiska partiklar. De monterade en elektromagnet runt munstycket på en 3D-skrivare, vilket fick de magnetiska partiklarna att svänga till en enda orientering när bläcket matades genom munstycket. Genom att kontrollera den magnetiska orienteringen av enskilda sektioner i strukturen, forskarna kan producera strukturer och enheter som nästan omedelbart kan förvandlas till invecklade formationer, och till och med röra på sig, eftersom de olika sektionerna svarar på ett externt magnetfält.
Xuanhe Zhao, Noyce karriärutvecklingsprofessor vid MIT:s avdelning för maskinteknik och avdelningen för civil- och miljöteknik, säger att gruppens teknik kan användas för att tillverka magnetiskt kontrollerade biomedicinska apparater.
"Vi tror att den här tekniken inom biomedicin kommer att hitta lovande tillämpningar, " säger Zhao. "Till exempel, vi kan sätta en struktur runt ett blodkärl för att kontrollera pumpningen av blod, eller använd en magnet för att guida en enhet genom mag-tarmkanalen för att ta bilder, extrahera vävnadsprover, rensa en blockering, eller leverera vissa läkemedel till en specifik plats. Du kan designa, simulera, och sedan är det bara att skriva ut för att uppnå olika funktioner."
Zhao och hans kollegor har publicerat sina resultat i dag i tidskriften Natur . Hans medförfattare inkluderar Yoonho Kim, Hyunwoo Yuk, och Ruike Zhao från MIT, och Shawn Chester från New Jersey Institute of Technology.
Ett skiftande fält
Teamets magnetiskt aktiverade strukturer faller under den allmänna kategorin av mjukt manövrerade enheter – squishy, formbara material som är utformade för att formskifta eller röra sig med en mängd olika mekaniska medel. Till exempel, hydrogelanordningar sväller när temperatur eller pH ändras; formminnespolymerer och flytande kristallelastomerer deformeras med tillräckliga stimuli såsom värme eller ljus; pneumatiska och hydrauliska anordningar kan aktiveras av luft eller vatten som pumpas in i dem; och dielektriska elastomerer sträcker sig under elektriska spänningar.
Men hydrogeler, formminnespolymerer, och flytande kristallelastomerer är långsamma att svara, och ändra form under loppet av minuter till timmar. Luft- och vattendrivna enheter kräver rör som ansluter dem till pumpar, vilket gör dem ineffektiva för fjärrstyrda applikationer. Dielektriska elastomerer kräver höga spänningar, vanligtvis över tusen volt.
"Det finns ingen idealisk kandidat för en mjuk robot som kan prestera i ett slutet utrymme som en människokropp, där du skulle vilja utföra vissa uppgifter obundna, " säger Kim. "Det är därför vi tror att det finns ett stort löfte i denna idé om magnetisk aktivering, för det är snabbt, kraftfull, kroppsgodartad, och kan fjärrstyras."
Andra grupper har tillverkat magnetiskt aktiverade material, även om rörelserna de har uppnått har varit relativt enkla. För det mesta, forskare blandar en polymerlösning med magnetiska pärlor, och häll blandningen i en form. När materialet härdar, de applicerar ett magnetfält för att likformigt magnetisera pärlorna, innan du tar bort strukturen från formen.
"Människor har bara gjort strukturer som förlängs, krympa, eller böja, " säger Yuk. "Utmaningen är, hur designar man en struktur eller robot som kan utföra mycket mer komplicerade uppgifter?"
Domänspel
Istället för att göra strukturer med magnetiska partiklar av samma, enhetlig orientering, teamet letade efter sätt att skapa magnetiska "domäner" – enskilda delar av en struktur, var och en med en distinkt orientering av magnetiska partiklar. När den utsätts för ett externt magnetfält, varje sektion ska röra sig på ett distinkt sätt, beroende på i vilken riktning dess partiklar rör sig som svar på magnetfältet. På det här sättet, gruppen antog att strukturer borde utföra mer komplexa artikulationer och rörelser.
Med deras nya 3D-utskriftsplattform, forskarna kan skriva ut avsnitt, eller domäner, av en struktur, och justera orienteringen av magnetiska partiklar i en viss domän genom att ändra riktningen på elektromagneten som omger skrivarens munstycke, när domänen skrivs ut.
Teamet utvecklade också en fysisk modell som förutsäger hur en tryckt struktur kommer att deformeras under ett magnetfält. Med tanke på elasticiteten hos det tryckta materialet, mönstret av domäner i en struktur, och det sätt på vilket ett externt magnetfält appliceras, modellen kan förutsäga hur en övergripande struktur kommer att deformeras eller röra sig. Ruike fann att modellens förutsägelser nära överensstämde med experiment som laget genomförde med ett antal olika tryckta strukturer.
MIT Spiderlike Grabber (hexapedal struktur) (Efter) Kredit:Yoonho Kim &Xuanhe Zhao
Förutom en porlande ring, ett självklämmande rör, och en spindelliknande gripare, teamet skrev ut andra komplexa strukturer, såsom en uppsättning "auxetic" strukturer som snabbt krymper eller expanderar längs två riktningar. Zhao och hans kollegor tryckte också en ring inbäddad med elektriska kretsar och röda och gröna LED-lampor. Beroende på orienteringen av ett externt magnetfält, ringen deformeras för att lysa antingen rött eller grönt, på ett programmerat sätt.
"Vi har utvecklat en utskriftsplattform och en prediktiv modell för andra att använda. Människor kan designa sina egna strukturer och domänmönster, validera dem med modellen, och skriva ut dem för att aktivera olika funktioner, " säger Zhao. "Genom att programmera komplex information av struktur, domän, och magnetfält, man kan till och med skriva ut intelligenta maskiner som robotar."