Эти формы

Jul 28, 2023

Эта фигурка, похожая на Lego, сбежала из тюрьмы в стиле Терминатора 2 благодаря новому композиту галлия и магнитных частиц, который сжижается в присутствии изменяющегося магнитного поля и движется под руководством постоянного магнита.

Вопрос. Ван и др./Matter 2023 (CC BY-SA)

Маккензи Прилламан

25 января 2023 г., 11:55

Роботы из жидкого металла, меняющие форму, возможно, больше не будут ограничиваться научной фантастикой.

Миниатюрные машины могут переключаться из твердого состояния в жидкое и обратно, чтобы втискиваться в ограниченное пространство и выполнять такие задачи, как пайка печатной платы, сообщают исследователи в журнале Matter 25 января.

Это свойство фазового сдвига, которым можно управлять дистанционно с помощью магнитного поля, обусловлено металлическим галлием. Исследователи внедрили в металл магнитные частицы, чтобы направлять движения металла с помощью магнитов. Этот новый материал может помочь ученым разработать мягких, гибких роботов, которые смогут перемещаться по узким проходам и управляться извне.

Ученые уже много лет разрабатывают мягких роботов с магнитным управлением. Большинство существующих материалов для этих ботов изготовлены либо из эластичных, но твердых материалов, которые не могут проходить через самые узкие пространства, либо из магнитных жидкостей, которые являются текучими, но не способны нести тяжелые предметы (SN: 18.07.19).

В новом исследовании исследователи объединили оба подхода, найдя вдохновение в природе (SN: 3/3/21). Например, трепанги «могут очень быстро и обратимо менять свою жесткость», говорит инженер-механик Кармель Маджиди из Университета Карнеги-Меллон в Питтсбурге. «Задача для нас, как инженеров, состоит в том, чтобы имитировать это в системах мягких материалов».

Поэтому команда обратилась к галлию, металлу, который плавится при температуре около 30° по Цельсию, что немного выше комнатной температуры. Вместо того, чтобы подсоединять нагреватель к куску металла, чтобы изменить его состояние, исследователи подвергают его воздействию быстро меняющегося магнитного поля, чтобы превратить его в жидкость. Переменное магнитное поле генерирует электричество внутри галлия, заставляя его нагреваться и плавиться. Материал повторно затвердевает, когда его оставляют охлаждаться до комнатной температуры.

Поскольку магнитные частицы разбросаны по всему галлию, постоянный магнит может перетаскивать его. В твердом виде магнит может перемещать материал со скоростью около 1,5 метров в секунду. Модернизированный галлий также может выдерживать вес, в 10 000 раз превышающий его собственный.

Внешние магниты по-прежнему могут манипулировать жидкой формой, заставляя ее растягиваться, разделяться и сливаться. Но контролировать движение жидкости сложнее, поскольку частицы галлия могут свободно вращаться и иметь несовмещенные магнитные полюса в результате плавления. Из-за различной ориентации частицы движутся в разных направлениях под действием магнита.

Маджиди и его коллеги протестировали свою стратегию на крошечных машинах, выполнявших различные задачи. В демонстрации прямо из фильма «Терминатор 2» игрушечный человек сбежал из тюремной камеры, расплавившись сквозь решетку и снова затвердев в своей первоначальной форме с помощью формы, помещенной сразу за решеткой.

С более практической точки зрения одна машина извлекла небольшой шарик из модели человеческого желудка, слегка расплавив его и обернув вокруг инородного объекта перед выходом из органа. Но галлий сам по себе превратился бы в слизь внутри реального человеческого тела, поскольку при температуре тела около 37°C металл представляет собой жидкость. Еще несколько металлов, таких как висмут и олово, будут добавлены к галлию в биомедицинских целях. чтобы повысить температуру плавления материала, говорят авторы. В другой демонстрации материал разжижался и повторно затвердевал для пайки печатной платы.

Хотя этот фазосдвигающий материал является большим шагом в этой области, остаются вопросы о его биомедицинском применении, говорит биомедицинский инженер Амир Джафари из Университета Северного Техаса в Дентоне, который не принимал участия в работе. По его словам, одной из больших проблем является точный контроль магнитных сил внутри человеческого тела, которые генерируются внешним устройством.

«Это интересный инструмент», — говорит инженер робототехники Николас Бира из Гарвардского университета, который также не принимал участия в исследовании. Но, добавляет он, ученые, изучающие мягкую робототехнику, постоянно создают новые материалы.