Terningformede magnetiske byggesten til bløde robotikapplikationer

ETH-forskere har udviklet kubeformede magnetiske byggesten, der kan samles i todimensionelle former og styres af et eksternt magnetfelt. De kan bruges til applikationer med blød robotik.

Hvis du nogensinde har prøvet at sætte flere virkelig stærke, små kubemagneter lige ved siden af ​​hinanden på et magnetbræt, du ved, at du bare ikke kan gøre det. Hvad der sker er, at magneterne altid arrangerer sig selv i en søjle, der stikker lodret ud fra magnetpladen. I øvrigt, det er næsten umuligt at forbinde flere rækker af disse magneter for at danne en flad overflade. Det er fordi magneter er dipolære. Lige poler afviser hinanden, med nordpolen på en magnet, der altid fastgør sig til en anden sydpol og omvendt. Dette forklarer, hvorfor de danner en kolonne med alle magneterne justeret på samme måde.

Nu, forskere ved ETH Zürich har formået at skabe magnetiske byggesten i form af terninger, der-for første gang nogensinde-kan sættes sammen til todimensionelle former. De nye byggesten, som forskerne kalder moduler, er ikke dipolære, men firpolære, hvilket betyder, at de hver især har to nordpoler og to sydpoler. Inde i hvert af modulerne, som er 3D-trykt i plast, der er to små konventionelle dipolmagneter med deres lige poler mod hinanden (se billede). Byggestenene kan samles som små skakbrætter for at danne todimensionale former. Det fungerer sådan:Fordi syd- og nordpolen tiltrækker hinanden, en firpolet byggesten med sine to sydpoler mod venstre og højre vil tiltrække, på hver af sine fire sider, en byggesten, der roteres 90 grader, så dens nordpoler står til venstre og højre.

Bygger på dette princip, forskerne lavede farvede moduler med en kantlængde på godt to millimeter. De samlede dem til pixelart -emojis for at demonstrere, hvad modulerne kan. Imidlertid, mulige anvendelsessager går langt ud over sådanne gimmicks. "Vi er særligt interesserede i applikationer inden for blød robotik, "siger Hongri Gu, en doktorand i professor Bradley Nelsons gruppe ved ETH og hovedforfatter af det papir, som forskerne for nylig offentliggjorde i Science Robotics .

Quadrupol og dipol i samme byggesten

Quadrupolen dominerer modulernes magnetiske egenskaber. Det er lidt mere kompliceret end som så, selvom, fordi ud over den stærke quadrupol, forskerne byggede også en svag dipol ind i byggestenene. De opnåede dette ved at arrangere de små magneter i modulet i en lille vinkel til hinanden frem for parallelt (se billede).

"Dette får modulerne til at tilpasse sig et eksternt magnetfelt, som en kompassnål gør, "Gu forklarer." Med et variabelt magnetfelt, vi kan derefter flytte de former, vi har bygget ud af modulerne. Tilføj nogle fleksible stik, og det er endda muligt at bygge robotter, der kan styres af et magnetfelt. "

Gu siger, at deres arbejde oprindeligt handlede om at udvikle det nye princip. Det er størrelsesuafhængigt, han siger, hvilket betyder, at der ikke er nogen grund til, at meget mindre quadrupol -moduler ikke kunne udvikles. Forskerne studerer også, hvordan modulerne kan bruges til at kombinere en lineær struktur til et multidimensionelt objekt ved hjælp af et magnetfelt. Dette er noget, der kan være nyttigt i medicinen i fremtiden:det kan tænkes, at genstande såsom stents kan dannes af en tråd, der består af sådanne moduler. Tråden kunne indsættes i kroppen på en relativt enkel, minimalt invasiv procedure gennem en lille åbning og derefter et magnetfelt påført for at samle det i den sidste multidimensionale struktur inde i kroppen.