Эта технология может привести к созданию микроскопических роботов, способных выполнять деликатные медицинские задачи внутри человеческого тела, такие как взятие биопсийных образцов или введение лекарств.
Инженеры разработали новый мягкий магнитный гидрогель, который можно печатать на 3D-принтере, создавая микроскопические структуры.
В отличие от предыдущих магнитных материалов, которые двигались как единое целое, этот новый гель позволяет отдельным частям крошечного робота деформироваться и двигаться независимо в ответ на воздействие внешнего магнита.
Разработка ведется Массачусетским технологическим институтом (MIT), Швейцарским федеральным технологическим институтом в Лозанне (EPFL) и Университетом Цинциннати.
Эти управляемые магнитами мягкие роботы, или магно-роботы, могут быть использованы в здравоохранении для сбора мельчайших медицинских образцов или доставки лекарств в организм.
«Теперь мы можем создавать мягкую, сложную трехмерную архитектуру с компонентами, способными двигаться и деформироваться сложным образом в пределах одной и той же микроскопической структуры. Для мягкой микроскопической робототехники или для материалов, реагирующих на внешние воздействия, это может стать революционной возможностью», — сказал Карлос Портела, автор исследования из Массачусетского технологического института.
Новое поколение микроботов
Исследователи из Массачусетского технологического института отдают приоритет магнитным стимулам перед другими триггерами — такими как свет или химические вещества — из-за их уникальной скорости и удобства.
Магнитные поля позволяют добиться мгновенного беспроводного управления на расстоянии, исключая необходимость медленных химических реакций или физического контакта. Такой «программируемый» подход обеспечивает немедленное изменение свойств материала для высокоточной микроробототехники с дистанционным управлением.
В новой работе созданы крошечные напечатанные на 3D-принтере «леденцы» из специального магнитного геля, каждый размером меньше песчинки. Интересно, что они могут мгновенно трансформироваться в роботизированные захваты, если поднести к ним магнит.
Для создания магниточувствительных структур размером менее миллиметра исследователи обычно используют двухфотонную литографию — высокоразрешающую технологию 3D-печати, в которой лазеры используются для затвердевания смолы.
Однако стандартная 3D-печать магнитных материалов затруднена, поскольку магнитные наночастицы — по сути, крошечные кусочки металла — рассеивают лазерный свет и слипаются. Это воздействие снижает мощность лазера и нарушает структурную целостность изделия, часто делая невозможным создание сложных функциональных микроструктур.
«Прямая 3D-печать деформируемых микроструктур с высоким содержанием магнитных частиц чрезвычайно сложна и часто предполагает компромисс между магнитной функциональностью и структурной целостностью», — сказала Рейчел Сан, один из ведущих авторов исследования.
Для преодоления этих трудностей при печати в данной работе был использован процесс изготовления с «двойным погружением». Он позволяет придать магнитные свойства после завершения 3D-печати.
Сначала команда печатает чистую полимерную микроструктуру, а затем погружает ее в последовательные химические ванны, чтобы вырастить наночастицы оксида железа непосредственно внутри геля.
Кроме того, плотность геля можно контролировать, регулируя мощность лазера во время первоначальной печати. Более плотный гель поглощает меньше ионов, что позволяет точно настраивать магнетизм отдельных компонентов внутри одного микроскопического робота.
Робот-захватчик для леденцов
Для демонстрации точности материала напечатанные на 3D-принтере структуры в виде «леденцов» были намагничены с различной степенью намагничивания. При воздействии обычного холодильникового магнита эти отдельные компоненты реагировали с разной силой, что позволяло всей конструкции «леденцов» двигаться скоординированно.
Это синхронизированное движение имитировало движение захватывающих пальцев, демонстрируя, что эти микроскопические структуры могут функционировать как сложные, дистанционно управляемые роботизированные инструменты.
«Можно представить, что подобная магнитная конструкция может действовать как небольшой робот, которого можно перемещать по телу с помощью внешнего магнита, и он мог бы, например, цепляться за что-нибудь для взятия биопсии», — сказал Портела. «Это видение, которое другие могут позаимствовать из этой работы».
Исследователи также разработали «бистабильный» переключатель, используя прямоугольник из геля длиной в миллиметр, оснащенный магнитными «веслами» размером с эритроцит.
Воздействие внешнего магнита приводит к переворачиванию этих весел, позволяя зафиксировать устройство во включенном или выключенном положении, подобно дистанционно управляемому переключателю. Этот механизм может служить микроскопическим клапаном для регулирования потока жидкости в медицинских устройствах.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Matter 28 апреля.
Sourse: interestingengineering.com
