MIT-ingenieurs hebben zachte, 3D-geprinte structuren waarvan de bewegingen kunnen worden gecontroleerd met een golf van een magneet, net als marionetten zonder de snaren.

De menagerie van structuren die magnetisch kunnen worden gemanipuleerd, omvat een gladde ring die rimpelt, een lange buis die zich dichtknijpt, een blad dat zichzelf vouwt, en een spinachtige "grijper" die kan kruipen, rollen, springen, en snel genoeg in elkaar klikken om een ​​passerende bal te vangen. Het kan zelfs worden gericht om zichzelf rond een kleine pil te wikkelen en over een tafel te dragen.

De onderzoekers fabriceerden elke structuur van een nieuw type 3D-printbare inkt die ze doordrenkt waren met kleine magnetische deeltjes. Ze plaatsten een elektromagneet rond het mondstuk van een 3D-printer, waardoor de magnetische deeltjes in een enkele richting zwaaiden terwijl de inkt door het mondstuk werd gevoerd. Door de magnetische oriëntatie van afzonderlijke secties in de structuur te regelen, de onderzoekers kunnen structuren en apparaten produceren die bijna onmiddellijk kunnen veranderen in ingewikkelde formaties, en zelfs bewegen, omdat de verschillende secties reageren op een extern magnetisch veld.

Xuanhe Zhao, de Noyce Career Development Professor in MIT's Department of Mechanical Engineering en Department of Civil and Environmental Engineering, zegt dat de techniek van de groep kan worden gebruikt om magnetisch gecontroleerde biomedische apparaten te fabriceren.

"We denken dat deze techniek in de biogeneeskunde veelbelovende toepassingen zal vinden, " zegt Zhao. "Bijvoorbeeld, we zouden een structuur rond een bloedvat kunnen plaatsen om het pompen van bloed te regelen, of gebruik een magneet om een ​​apparaat door het maagdarmkanaal te leiden om foto's te maken, weefselmonsters uittrekken, een blokkade opruimen, of bepaalde medicijnen op een specifieke locatie afleveren. Je kunt ontwerpen, simuleren, en dan gewoon printen om verschillende functies te bereiken."

Zhao en zijn collega's hebben hun resultaten vandaag in het tijdschrift gepubliceerd Natuur . Zijn co-auteurs zijn onder andere Yoonho Kim, Hyunwoo Yuk, en Ruike Zhao van MIT, en Shawn Chester van het New Jersey Institute of Technology.

Een verschuivend veld

De magnetisch geactiveerde structuren van het team vallen onder de algemene categorie van zacht aangedreven apparaten:squishy, vormbare materialen die zijn ontworpen om van vorm te veranderen of te bewegen door middel van een verscheidenheid aan mechanische middelen. Bijvoorbeeld, hydrogel-apparaten zwellen op wanneer de temperatuur of pH verandert; vormgeheugenpolymeren en vloeibaar-kristalelastomeren vervormen bij voldoende prikkels zoals warmte of licht; pneumatische en hydraulische apparaten kunnen worden bediend door lucht of water dat erin wordt gepompt; en diëlektrische elastomeren strekken zich uit onder elektrische spanningen.

Maar hydrogels, vormgeheugen polymeren, en vloeibare kristalelastomeren reageren traag, en van vorm veranderen in de loop van minuten tot uren. Lucht- en wateraangedreven apparaten hebben buizen nodig die ze verbinden met pompen, waardoor ze inefficiënt zijn voor op afstand bestuurde toepassingen. Diëlektrische elastomeren vereisen hoge spanningen, meestal boven de duizend volt.

"Er is geen ideale kandidaat voor een zachte robot die in een afgesloten ruimte kan presteren als een menselijk lichaam, waar je bepaalde taken ongebonden zou willen uitvoeren, "zegt Kim. "Daarom denken we dat er een grote belofte zit in dit idee van magnetische activering, omdat het snel is krachtig, lichaam-goedaardig, en kan op afstand worden bediend."

Andere groepen hebben magnetisch geactiveerde materialen gefabriceerd, hoewel de bewegingen die ze hebben bereikt relatief eenvoudig zijn. Voor het grootste gedeelte, onderzoekers mengen een polymeeroplossing met magnetische kralen, en giet het mengsel in een vorm. Zodra het materiaal is uitgehard, ze passen een magnetisch veld toe om de kralen gelijkmatig te magnetiseren, voordat u de structuur uit de mal verwijdert.

"Mensen hebben alleen constructies gemaakt die langwerpig, krimpen, of buigen, " zegt Yuk. "De uitdaging is, hoe ontwerp je een constructie of robot die veel gecompliceerdere taken kan uitvoeren?"

domein spel

In plaats van structuren te maken met magnetische deeltjes van hetzelfde, uniforme oriëntatie, het team zocht naar manieren om magnetische "domeinen" te creëren - individuele secties van een structuur, elk met een duidelijke oriëntatie van magnetische deeltjes. Bij blootstelling aan een extern magnetisch veld, elke sectie moet op een andere manier bewegen, afhankelijk van de richting waarin de deeltjes bewegen als reactie op het magnetische veld. Op deze manier, de groep vermoedde dat structuren complexere articulaties en bewegingen zouden moeten uitvoeren.

Met hun nieuwe 3D-printplatform, de onderzoekers kunnen secties afdrukken, of domeinen, van een structuur, en stem de oriëntatie van magnetische deeltjes in een bepaald domein af door de richting van de elektromagneet die het mondstuk van de printer omgeeft te veranderen, als het domein wordt afgedrukt.

Het team ontwikkelde ook een fysiek model dat voorspelt hoe een gedrukte structuur zal vervormen onder een magnetisch veld. Gezien de elasticiteit van het bedrukte materiaal, het patroon van domeinen in een structuur, en de manier waarop een extern magnetisch veld wordt aangelegd, het model kan voorspellen hoe een algehele constructie zal vervormen of bewegen. Ruike ontdekte dat de voorspellingen van het model nauw overeenkwamen met experimenten die het team uitvoerde met een aantal verschillende gedrukte structuren.

Naast een kabbelende ring, een zelfknijpende buis, en een spinachtige grijper, het team printte andere complexe structuren, zoals een reeks "auxetische" structuren die snel in twee richtingen krimpen of uitzetten. Zhao en zijn collega's hebben ook een ring geprint die is ingebed met elektrische circuits en rode en groene LED-lampjes. Afhankelijk van de oriëntatie van een extern magnetisch veld, de ring vervormt om rood of groen op te lichten, op een geprogrammeerde manier.

"We hebben een printplatform en een voorspellend model ontwikkeld dat anderen kunnen gebruiken. Mensen kunnen hun eigen structuren en domeinpatronen ontwerpen, valideer ze met het model, en print ze om verschillende functies te activeren, " zegt Zhao. "Door complexe informatie over structuur te programmeren, domein, en magnetisch veld, men kan zelfs intelligente machines zoals robots printen."