Разработан магнитный робот‑медуза без встроенного источника питания

Исследователи создали биомедицинское устройство под названием Jellyfish Magnetic Soft Robot (J-MSR), которое движется в жидкой среде со скоростью 14,85 длины корпуса в секунду без встроенного источника питания. Робот управляется внешними магнитными полями и предназначен для проведения диагностических и лечебных процедур внутри организма человека.

Устройство имитирует движения настоящих медуз за счет скоординированного сокращения и расслабления элементов конструкции. Исследователи использовали асимметричный трапециевидный сигнал магнитного поля, при котором фаза сжатия происходит быстрее фазы восстановления, что позволяет эффективнее отталкивать жидкость и повышает общую производительность. Система была оптимизирована путем моделирования взаимодействия магнитных, жидкостных и твердых тел, при этом точно настроены шесть параметров управления, включая плотность магнитного потока и продолжительность каждой фазы движения.

Робот обладает отрицательной плавучестью, его плотность превышает плотность воды на 0,4 г/см³, однако в конструкции отсутствуют вспомогательные плавучие элементы, которые обычно увеличивают сопротивление. Достигнутая скорость превосходит результаты предыдущих аналогичных устройств, способных перемещаться со скоростью около 10 длин тела в секунду.

J-MSR может переключаться между несколькими режимами движения. Регулируя внутреннюю намагниченность и используя трехосную систему катушек Гельмгольца, робот движется под углом от 0° до 122°, разворачивается, поднимается по склону и преодолевает узкие изогнутые траектории. В центральной части устройства находится полость диаметром 10 миллиметров для полезной нагрузки в виде датчиков или медицинских инструментов.

При тестировании на модели свиного желудка робот продемонстрировал способность преодолевать сложные внутренние структуры, комбинируя вертикальное плавание с горизонтальным движением. Микроигла, прикрепленная к роботу, показала точность наведения на цель в 4,4 +- 1,85 миллиметра. Устройство также работало с капсульным эндоскопом, обеспечивая обзор под разными углами внутри желудка с наклоном до 21,8 градуса.

Исследователи реализовали беспроводное питание и функциональную активацию с помощью двухчастотных магнитных полей. Низкочастотные поля управляют движением робота, а высокочастотные активируют встроенные функции, включая нагрев или генерацию сигналов. В одном из экспериментов система переменной плотности позволила роботу временно менять плавучесть за счет испарения жидкости с низкой температурой кипения, что дало возможность захватывать предметы.

Результаты исследования опубликованы в журнале Cyborg and Bionic Systems под названием «Сверхбыстрые и универсальные магнитные мягкие роботы на основе медуз для биомедицинских применений».

Источник: Interestingeng Iineering