Forskare vid City University of Hong Kong (CityU) har utvecklat en liten, mjuk robot med larvliknande ben som kan bära tunga laster och kan anpassas till ogynnsamma miljöer. Den här minileveransroboten kan bana väg för medicinska tekniska framsteg som läkemedelstillförsel i människokroppen.

Runt världen, det har gjorts forskning mot mjuka millirobotar. Men CityU:s nya design minskar friktionen avsevärt så att roboten kan röra sig effektivt inuti ytor inom kroppen som är fodrad med, eller helt nedsänkt i, kroppsvätskor som blod eller slem. Forskningsresultaten har publicerats i Naturkommunikation , med titeln "En bioinspirerad multilegged mjuk millirobot som fungerar i både torra och våta förhållanden."

Bioinspirerad robotdesign

Denna millirobot har hundratals långa, spetsiga ben som är mindre än 1 mm, liknar små hårstrån. Forskargruppen studerade benstrukturen hos hundratals markdjur inklusive de med två, fyra, åtta eller fler ben, och studerade särskilt förhållandet mellan benlängd och gapet mellan benen. "De flesta djur har ett förhållande mellan benlängd och benspalt på 2:1 till 1:1. Så vi bestämde oss för att skapa vår robot med proportionen 1:1, " förklarar Dr Shen Yajing, biträdande professor vid CityU:s institution för biomedicinsk teknik (BME), som ledde forskningen.

Robotens kroppstjocklek mäter cirka 0,15 mm, med varje koniskt ben som mäter 0,65 mm långt och avståndet mellan benen som mäter cirka 0,6 mm, vilket gör förhållandet mellan benlängd och mellanrum runt 1:1. Dessutom, robotens spetsiga ben har kraftigt minskat sin kontaktyta och därav friktionen med ytan. Laboratorietester visar att den flerbenta roboten har 40 gånger mindre friktion än en lemlös robot i både våta och torra miljöer.

Förutom designen med flera ben, materialen spelar också roll. Roboten är tillverkad med ett kiselmaterial som kallas polydimetylsiloxan (PDMS) inbäddat med magnetiska partiklar som gör att den kan fjärrstyras via elektromagnetisk kraft. "Både materialen och designen med flera ben förbättrar avsevärt robotens hydrofoba egenskaper. Dessutom, den gummiartade biten är mjuk och kan lätt skäras till robotar av olika former och storlekar för olika applikationer, säger professor Wang Zuankai vid CityU:s avdelning för maskinteknik (MNE), som skapade denna forskningsidé och initierade samarbetet mellan forskarna.

Rör dig bekvämt i tuffa miljöer

Styrd av en magnetisk manipulator som användes i experimenten, roboten kan röra sig i både ett klaffframdrivningsmönster och ett inverterat pendelmönster, vilket innebär att den kan använda framfötterna för att flaxa framåt samt svänga kroppen genom att stå på vänster och höger fot omväxlande för att avancera respektive.

"Den robusta ytan och den förändrade strukturen hos olika vävnader inuti människokroppen gör transporten utmanande. Vår flerbensrobot uppvisar en imponerande prestanda i olika terränger och öppnar därför breda applikationer för läkemedelstillförsel inuti kroppen, säger professor Wang.

Forskargruppen visade vidare att när man navigerar ett hinder 10 gånger högre än dess benlängd, robotens deformerbara mjuka ben kan höja ena änden av sin kropp för att bilda en vinkel på upp till 90 grader för att enkelt ta sig över hindret. Och roboten kan öka sin hastighet genom att öka den applicerade elektromagnetiska frekvensen.

Roboten visar också en enastående lastförmåga. Laboratorietester visade att roboten kunde bära en last som var 100 gånger tyngre än den själv, styrka jämförbar med en myrs — det här motsvarar en människa som lyfter en 26-sits minibuss.

Den otroligt starka bärförmågan, effektiv förflyttning och god förmåga att korsa hinder gör denna millirobot extremt lämplig för applikationer i en tuff miljö, till exempel, leverera ett läkemedel till en avsedd plats genom matsmältningssystemet, eller utföra medicinsk inspektion, " tillägger Dr Shen.

Innan ytterligare tester utförs på djur och så småningom på människor, forskarteamen vidareutvecklar och förfinar sin forskning i tre aspekter:söker ett biologiskt nedbrytbart material, studera nya former, och lägga till extra funktioner.

"Vi hoppas kunna skapa en biologiskt nedbrytbar robot under de kommande två till tre åren så att den kommer att sönderfalla naturligt efter sitt läkemedelsleveransuppdrag, " säger Dr Shen.