Новая технология 3D-печати позволяет создавать «магнитные мышцы» толщиной с бумагу, которые можно наносить на конструкции оригами, чтобы заставить их двигаться.

Добавив в резиноподобные эластомеры материалы, называемые ферромагнитными частицами, исследователи из Университета штата Северная Каролина напечатали на 3D-принтере тонкую магнитную плёнку, которую можно наносить на оригами- конструкции. Под воздействием магнитного поля плёнки действовали как актуаторы, приводя систему в движение, не мешая движению оригами-конструкции.

«Этот тип мягкого магнита уникален тем, что занимает мало места», — говорит Сяоменг Фан, доцент Колледжа текстиля Уилсона и ведущий автор статьи об этой технологии, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.

«Традиционно магнитные приводы используют небольшие жёсткие магниты, которые можно повесить на холодильник. Эти магниты помещаются на поверхность мягкого робота , и он начинает двигаться», — сказала она. «Благодаря этой технологии мы можем напечатать тонкую плёнку, которую можно нанести непосредственно на важные части оригами-робота, не сильно уменьшая его площадь поверхности».

Учёные разработали своего первого робота для доставки лекарств к язвам в организме человека, используя конструкцию оригами под названием «Миура-Ори». Эта технология позволяет сложить большую плоскую поверхность в гораздо меньшую площадь. Магнитные «мышцы» прикреплены к граням оригами и под воздействием магнитного поля помогают оригами раскрыться и добраться до язвы.

Фан отметил, что конструкция Miura-Ori отлично подходит для введения лекарств, поскольку ее можно проглотить как небольшой предмет, а затем открыть, чтобы доставить лекарство всей площадью ее поверхности.

Исследователи протестировали робота, используя имитацию желудка, сделанную из пластиковой сферы, наполненной тёплой водой. Проводя робота по желудку с помощью внешнего магнитного поля, исследователи успешно подвели его к месту язвы, развернули в развёрнутом состоянии и зафиксировали на месте с помощью прикреплённых снаружи мягких магнитных плёнок. Такая конструкция обеспечивала контролируемое и равномерное высвобождение препарата в течение длительного времени, что обеспечивало безопасную и неинвазивную процедуру, позволяющую пациентам заниматься повседневными делами в обычном режиме.

По словам Фана, предыдущие попытки использовать ферромагнитные частицы не приводили к созданию достаточной силы для перемещения роботов, поскольку не удавалось упаковать достаточное количество частиц в резиновый раствор. Добавление большого количества частиц приводит к тому, что жидкая резина становится чёрной, поглощая ультрафиолетовое излучение, используемое для затвердевания раствора, и препятствуя его нормальному отверждению. Тепловая энергия также может способствовать затвердеванию резины, поэтому исследователи добавили под собирающую пластину нагревательную пластину для усиления УФ-излучения.

«Добавление нагревательной пластины позволило нам использовать гораздо более высокую концентрацию ферромагнитных частиц, чем обычно, и это стало настоящим прорывом», — сказал Фанг. «Чем больше частиц вы можете использовать, тем большую магнитную силу вы можете генерировать».

Используя другую схему оригами Миуры-Ори, исследователи также создали второго робота, способного ползать вперёд. При помещении робота в магнитное поле мышцы, расположенные в определённых зонах, заставляют его сокращаться: передняя часть поднимается, а задняя сжимается. При выключении поля движение возвращения в исходное положение толкает робота вперёд — на один «шаг».

Этот ползающий оригами-робот способен преодолевать препятствия высотой до 7 миллиметров со скоростью, регулируемой с помощью силы и частоты магнитного поля, а также адаптироваться к различным рельефам, включая песок.

По словам Фана, эти два робота вместе демонстрируют значительный потенциал мягких магнитных приводов и структур оригами в робототехнике.

«Существует множество разнообразных типов оригами-структур, с которыми могут работать эти мышцы, и они могут помочь решить проблемы в самых разных областях — от биомедицины до исследования космоса», — сказал Фанг. «Будет интересно продолжить изучение новых возможностей этой технологии».