ETH-forskare har utvecklat kubformade magnetiska byggstenar som kan monteras i tvådimensionella former och styras av ett externt magnetfält. De kan användas för mjukrobotapplikationer.

Om du någonsin har försökt att sätta flera riktigt starka, små kubmagneter alldeles intill varandra på ett magnetkort, du vet att du bara inte kan göra det. Det som händer är att magneterna alltid ordnar sig i en kolumn som sticker ut vertikalt från magnetkortet. Dessutom, det är nästan omöjligt att sammanfoga flera rader av dessa magneter för att bilda en plan yta. Det beror på att magneter är dipolära. Lika poler stöter bort varandra, med nordpolen på en magnet som alltid fäster sig vid en annan södra polen och vice versa. Detta förklarar varför de bildar en kolumn med alla magneterna på samma sätt.

Nu, forskare vid ETH Zürich har lyckats skapa magnetiska byggstenar i form av kuber som-för första gången någonsin-kan sammanfogas för att bilda tvådimensionella former. De nya byggstenarna, som forskarna kallar moduler, är inte dipolära utan fyrkantiga, vilket betyder att de båda har två nordpoler och två sydpoler. Inuti var och en av modulerna, som är 3D-tryckta i plast, det finns två små konventionella dipolmagneter med sina lika poler mot varandra (se bild). Byggstenarna kan sättas ihop som små schackbrädor för att bilda alla tvådimensionella former. Det fungerar så här:Eftersom syd- och nordpolen lockar varandra, en fyrpolig byggsten med sina två sydpoler mot vänster och höger kommer att locka, på var och en av dess fyra sidor, en byggsten som roteras 90 grader så dess nordpoler på ansiktet vänster och höger.

Utifrån denna princip, forskarna gjorde färgade moduler med en kantlängd på drygt två millimeter. De samlade dem till pixelkonst -emojis för att demonstrera vad modulerna kan göra. Dock, möjliga användningsfall går långt bortom sådana gimmicks. "Vi är särskilt intresserade av applikationer inom mjuk robotik, "säger Hongri Gu, en doktorand i professor Bradley Nelsons grupp vid ETH och huvudförfattare till tidningen som forskarna nyligen publicerade i Science Robotics .

Quadrupol och dipol i samma byggsten

Fyrpolen dominerar modulernas magnetiska egenskaper. Det är lite mer komplicerat än så, fastän, eftersom förutom den starka fyrdubbelpolen, forskarna byggde också in en svag dipol i byggstenarna. De uppnådde detta genom att ordna de små magneterna i modulen i en liten vinkel mot varandra snarare än parallellt (se bild).

"Detta får modulerna att anpassa sig till ett externt magnetfält, som en kompassnål gör, "Gu förklarar." Med ett variabelt magnetfält, vi kan sedan flytta de former vi har byggt ur modulerna. Lägg till några flexibla kontakter så är det till och med möjligt att bygga robotar som kan styras av ett magnetfält. "

Gu säger att deras arbete inledningsvis handlade om att utveckla den nya principen. Det är storleksoberoende, han säger, vilket betyder att det inte finns någon anledning till att mycket mindre fyrpoliga moduler inte kunde utvecklas. Forskarna studerar också hur modulerna kan användas för att kombinera en linjär struktur till ett flerdimensionellt objekt med hjälp av ett magnetfält. Detta är något som kan vara till nytta i medicinen i framtiden:det är tänkbart att föremål som stenter kan bildas av en tråd som består av sådana moduler. Tråden kunde sättas in i kroppen på en relativt enkel, minimalt invasivt förfarande genom en liten öppning och sedan ett magnetfält applicerat för att montera det i den slutliga flerdimensionella strukturen inuti kroppen.