Китайські матеріалознавці зліпили слизоподібного робота (або слайм), з магнітними частинками, яким можна керувати за допомогою зовнішнього магнітного поля. Свою практичну корисність витвір продемонстрував у кількох задачах: від проникнення в отвір діаметром у півтора міліметра до витягування залишеної у моделі шлунка батарейки. З чого вчені зліпили робота і на які задачі він розрахований, вони детальніше пояснили у статті, опублікованій Advanced Functional Materials.
Zhang et al. / Advanced Functional Materials, 2022
Це робот-слимак чи просто керований слиз?
Часто м'яка роботехніка, яка не обмежується жорсткими корпусами і відрізняється високою гнучкістю і адаптовністю до середовища, стає сферою дослідження для хіміків і матеріалознавців. Вони передають функції датчиків, виконавчих механізмів чи контролерів так званим «розумним матеріалам». М'які роботи на основі рідини демонструють кращу деформованість, ніж м'які роботи на основі еластомерів, завдяки своїм текучим властивостям, які дають їм змогу легко проходити крізь надзвичайно обмежені простори та уникати пошкодження як себе, так і середовища, в якому вони працюють.
Керувати ними можна і за допомогою температури (циклів нагрівання та охолодження), і за допомогою електрики, зміною тиску, і зовнішнім магнітним полем. Перевага мініатюрних роботів, що реагують на зовнішні подразники, полягає в тому, що вони менш інвазивні, що робить їх перспективними, наприклад для адресної доставки ліків або мінімально інвазивної хірургії. І у своїй роботі дослідники з Китайського університету Гонконгу запропонували свій варіант керованого магнітним полем робота. Це схожий на неньютонівську рідину або на іграшку слайм (або все-таки на слиз) матеріал з магнітними частинками, здатний маневрувати і навіть виконувати деякі завдання в різних складних середовищах.
З чого вчені зліпили слайм?
У розчин полівінілового спирту вчені додали частинки неодимових магнітів (NdFeB) і буру, з чого сформували керований магнітним полем слиз. Однак оскільки магнітні частинки токсичні і так роблять робота небіосумісним, у розчин вчені також додали діоксид кремнію, який покрив магнітні частинки шаром товщиною у 35 нанометрів і зробив їх нетоксичними для живих клітин. Постійний магніт приводить матеріал у рух, який вслід за ним може розтягнутися більш як в сім разів.
Куди може «затекти» робот?
Під контролем магнітного поля магнітний слайм зміг вільно переміщатися різними поверхнями, такими як вузькі канали, закриті труби, складні лабіринти і нерівні поверхні моделі шлунку. І наприклад, щоб пройти крізь отвір діаметром півтора міліметра, слайму знадобилося 180 секунд. Крім того, в порівнянні з існуючими м'якими роботами на основі рідин, цей робот-слиз має більшу пристосованість до навколишнього середовища, вміючи рухатися не тільки в рідинах і в повітрі, і навіть на різних поверхнях, таких як гідрогелеві, металеві та пластикові поверхні. Представлений у цій роботі слайм пройшов всього по восьми видах поверхонь, у тому числі гідрогелю, металу, пластику, склу, кремнезему, паперу тощо. Також в ході експериментів з'ясувалося, що слайм здатний розвивати швидкість до 30 міліметрів за секунду під дією сферичного магніту діаметром 20 міліметрів. Напруженість магнітного поля складає 700 мілітесла, на відстані десяти міліметрів — 200 мілітесла.
Слайм пролазить крізь вузький отвір. Zhang et al. / Advanced Functional Materials, 2022
Щоб маніпулювати предметами, потрібно дочекатися, щоб слайм повністю покривав свою ціль, і продовжив рухатися за магнітом вже разом з ним. Причому якщо направити слайм на кілька предметів відразу, він зможе витягнутися в декількох напрямках, подібно до восьминога. Це вміння свого слайма вчені та пропонують використовувати у медицині. Наприклад, магнітний слиз може використовуватися у клінічних втручаннях у випадку проковтування батарейки, що серйозно загрожує життю пацієнта. Цю ситуацію вдалося навіть змоделювати: під дією зовнішнього магнітного поля слайм охопив батарейку та вийшов разом із нею з моделі шлунка.
Слайм захоплює предмети. Zhang et al. / Advanced Functional Materials, 2022
Щоб перевірити самовідновлення слайма, його підключили до ланцюга світлодіодної (LED) лампи. Як і очікувалося, коли слайм розрізали навпіл, світлодіод відразу вимкнувся. Однак після з'єднання двох розділених частин ланцюг швидко відновився, а світло повернулося. Ця здатність до деформації та самовідновлення дозволяє використовувати слайм як адаптований до динамічних механічних середовищ датчик руху, наприклад, з тензодатчиком. Крім того, слайм здатний проводити струм, і його навіть використали, щоб запалити три світлодіодні лампочки. Він зміг як вмикати їх по черзі, проповзаючи вперед, так і одночасно, відрощуючи «щупальця».
Ми вже розповідали про подібного робота, але з полімеру. Він під дією нагрівання вміє скручуватися у трубочку, що дає йому змогу, наприклад, тягати вантаж і з ним же навіть закочуватися на схили, розвиваючи швидкість о 48 сантиметрів на хвилину. А цей гідрогелевий робот використовує як джерело енергії воду і так може хапати предмети і плавати. Ця також полімерна рука, але з вбудованими срібними нанодротами, змогла відкрутити кришечку з пляшки та навіть посприяти вилупленню равликів, яким потім виміряла серцебиття.