На 3D-принтері навчилися друкувати складних магнітних роботів

Американські дослідники знайшли спосіб заздалегідь програмувати поведінку 3D-друкованих об'єктів в магнітному полі і для демонстрації працездатності методу надрукували шестиногого робота, який може рухатися в зовнішньому полі і захоплювати предмети. У статті, опублікованій в автори розповіли, що використовували м'який матеріал з включеннями ферромагнітних частинок таким чином, щоб створювати області які по-різному реагують на зовнішнє магнітне поле. Електромагніт навколо друкуючої головки принтера створює магнітне поле, орієнтація якого визначає орієнтацію частинок в матеріалі і визначає поведінку об'єкта в магнітному полі після завершення друку.

Інженери, які створюють роботів для медичних застосувань, стикаються з цілою низкою проблем. Оскільки вони повинні бути невеликими, їх складно обладнати електромоторами, акумуляторами та іншими ключовими компонентами. Багато розробників подібних пристроїв вирішують цю проблему за допомогою зовнішнього магнітного поля, що дозволяє одночасно вирішити проблему з двигуном і джерелом енергії для нього. Але поки майже всі ці розробки знаходяться на початковому рівні і не дозволяють реалізовувати в роботі складні рухи (або дозволяють, але за допомогою громіздких актуаторів), тому вчені продовжують розробляти більш досконалі способи магнітного управління.

Група вчених під керівництвом Сюаньхе Чжао (Xuanhe Zhao) з Массачусетського технологічного інституту навчилися за допомогою 3D-друку надавати м'якому матеріалу здатність здійснювати складні рухи у відповідь на зміни зовнішнього магнітного поля. Матеріал для 3D-друку складається з силіконового еластомера, який виступає в ролі матриці, і двох типів частинок-включень - ферромагнітних частинок сплаву неодим-залізо-бор розміром близько п'яти мікрометрів, а також наночастинок діоксиду кремнію. Кремнієві частинки дозволяють підібрати плинність матеріалу для 3D-друку таким чином, щоб вони виходили з друкуючої головки під тиском, але при цьому зберігали свою форму після друку навіть за умови, що зверху нанесено ще кілька шарів.

Вчені запропонували задавати поведінку частин матеріалу в зовнішньому полі на стадії друку. Для цього вони обладнали друкуючу головку 3D-принтера електромагнітною котушкою, намотаною навколо каналу, по якому проходить матеріал друку. Ця котушка створює магнітне поле, спрямоване вздовж або в зворотному напрямку щодо потоку матеріалу, за рахунок чого ферромагнітні частинки орієнтуються відповідним чином. У результаті в надрукованому матеріалі можна створити домени з потрібним напрямком намагніченості і потрібною реакцією на зовнішнє поле. При цьому друкуюча головка екранована і слабо впливає на орієнтацію частинок у вже надрукованих шарах.

Вчені розробили модель, яка дозволяє передбачити зміни форми матеріалу залежно від розташування створених у ньому доменів і показали її ефективність, створивши кілька незвичайних прототипів. Наприклад, вони надрукували шестиконечного робота, який може складати кінцівки, повзти, кататися і захоплювати легкі предмети. Крім того, дослідники надрукували кілька інших структур, у тому числі ауксетики, які скорочуються за двома напрямками при додатку зовнішнього магнітного поля.

Нещодавно німецькі вчені розробили частково схожий метод створення магнітних роботів, здатних здійснювати складні рухи в зовнішньому полі. Вони використовували силіконовий еластомер з ферромагнітними частинками, які намагаються таким чином, що їхні вектори намагніченості в смужці мають гармонійний профіль. У результаті отримувана таким чином смужка вигинається у зовнішньому магнітному полі, причому величина і напрямок вигину залежить від величини і напрямку вектора магнітної індукції.