Миниатюрного робота на основе магнитных микрочастиц ученые пытаются создать уже давно. Но ранее демонстрируемые разработки в этой области (о них расскажем ниже) не обладали желаемыми характеристиками: они были либо слишком твердыми и недостаточно адаптивными, либо обладали очень низкой механической прочностью.
В конце января 2023 года в исследовательском журнале Matter была опубликована статья о новом жидком роботе, созданном из магнитоактивного фазово-переходного вещества. По заявлениям ученых, вдохновение для изобретения послужил не знаменитый Т-1000 из фильма «Терминатор 2: Судный день», а морской огурец — беспозвоночное иглокожее животное, способное за несколько секунд перейти из полужидкого состояния в твердое.
Основой для миниатюрного робота послужил галлий — металл, который плавится при температуре 29,7646°C. Добавление в него магнитных микрочастиц неодима, железа и бора дало возможность быстро переводить вещество из твердой фазы в жидкую при помощи настроенного магнитного поля. Поместив сплав между двумя переменными магнитами, ученые не только расплавили металл без внешних источников тепла, но и смогли корректировать направление движения жидкого робота. Представленный миниатюрный прототип обладает:
Потенциально робота можно использовать для размещения электронных компонентов на платах. На презентации было показано применение робота в качестве умного припоя: с его помощью установили и закрепили небольшой диод на микросхеме. Также ученые продемонстрировали возможность использования своей разработки в медицине, например, для удаления инородных предметов из желудка или локальной доставки лекарств.
Пока это лишь демонстрирует способность металлических сплавов к контролируемой динамической реконфигурируемости. Но инженеры надеются, что в дальнейшем подобные технологии найдут широкое применение в области биомедицины.
Эксперименты с галлием ученые показывают уже не в первый раз. В 2018 году международная команда исследователей из Китая и Австралии создала робота, состоящего из пластикового колеса, литиевого источника питания и капельки жидкого галлия.
Конструкция вращалась, когда жидкий металл перемещался по трубке, расположенной внутри колеса. Движения расплавленного галлия в свою очередь контролировались с помощью изменения напряжения, подаваемого встроенной литиевой батареей.
Профессор робототехники Ли Сянпен, занимавшийся разработкой этого робота, в своем выступлении заявил, что крошечные нанороботы на основе галлия в скором времени смогут адресно доставлять лекарства от рака в организм человека, а также выслеживать новые злокачественные клетки и локализовать их. Позже он добавил, что подобным миниатюрным машинам найдется применение и в военно-разведывательной области.
Созданное на основе галлия магнитоактивное фазово-переходное вещество — это не первый представленный учеными материал, способный переходить из твердого состояния в жидкое. Миниатюрных пластичных «роботов», умеющих адресно доставлять лекарства, инженеры разрабатывают уже давно.
В 2022 году команда ученых из Сучжоуского государственного университета представила микроскопического робота, способного распадаться на капли, а затем заново собираться. Исследование было опубликовано в научном журнале Science Advances. Согласно статье, робот состоит из феррожидкости — магнитных наночастиц оксида железа, соединенных с углеводородным маслом. Для демонстрации возможностей разработки ученые собрали лабиринт с препятствиями и узкими участками, по которому успешно провели мягкого робота. С помощью внешнего магнитного поля изобретатели управляли капельками жидкости: растягивали их, сжимали, заставляли вращаться, прыгать и выполнять другие действия.
В целом, созданием микророботов из феррожидкостей для медицинских целей ученые занимаются уже давно. Еще в 2011 году инженеры из национального исследовательского центра Министерства энергетики США создали магнитных роботов размером менее 1 мм, способных организованно перемещаться и собираться в разные формы под воздействием внешнего магнитного поля.
К сожалению, феррожидкости, как и применяемые для создания мягких роботов эластомеры (силиконы), обладают рядом ограничений. Первые считаются очень нестабильным материалом, что значительно сужает область применения. Вторые имеют слишком низкую пластичность, а следовательно, плохо подвергаются программируемым деформациям.
Не только эластомеры, феррожидкости и галлий подходят для создания мягкотелых роботов. В 2022 году еще одни ученые из Гонконга представили робота-слизь, состоящего из смеси PVA (поливинилового спирта) и тетрабората натрия (буры). Находящиеся в полимере магнитные частицы позволили управлять перемещением вещества при помощи магнитного поля, а способность полученного материала самовосстанавливаться — объединять отдельные частицы в единое целое.
На презентации исследователи показали, что созданный материал умеет адаптироваться к изменяющимся механическим условиям (сжатию, изгибу, растяжению), что позволяет изготавливать на его основе датчики динамического движения. Также робот способен извлекать из желудка проглоченные предметы без применения хирургических инструментов. Пока представленная слизь ядовита для человека, но если поместить ее в оболочку из диоксида кремния, можно предотвратить попадание токсинов в организм при ее использовании.
Область жидкой робототехники только начинает развиваться, но уже подает большие надежды. Потенциальное применение новых разработок в медицине позволит на ранних стадиях диагностировать сложные заболевания, локально лечить тяжелые болезни, не убивая здоровые клетки организма, и спасать большее количество жизней. Также жидкие технологии могут прийти на помощь людям с ограниченными возможностями и способствовать технологическому прорыву в области биомеханики.
