ETH-wetenschappers hebben kubusvormige magnetische bouwstenen ontwikkeld die kunnen worden samengevoegd tot tweedimensionale vormen en bestuurd door een extern magnetisch veld. Ze kunnen worden gebruikt voor toepassingen met zachte robotica.

Als je ooit geprobeerd hebt om er een paar heel sterk te zetten, kleine kubusmagneten naast elkaar op een magneetbord, dan weet je dat je het gewoon niet kunt. Wat er gebeurt, is dat de magneten zich altijd in een kolom rangschikken die verticaal uit het magneetbord steekt. Bovendien, het is bijna onmogelijk om meerdere rijen van deze magneten samen te voegen tot een plat oppervlak. Dat komt omdat magneten dipolair zijn. Gelijke polen stoten elkaar af, waarbij de noordpool van de ene magneet zich altijd vastmaakt aan de zuidpool van een andere en vice versa. Dit verklaart waarom ze een kolom vormen met alle magneten op dezelfde manier uitgelijnd.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van ETH Zürich zijn erin geslaagd magnetische bouwstenen te maken in de vorm van kubussen die - voor de eerste keer ooit - kunnen worden samengevoegd om tweedimensionale vormen te vormen. De nieuwe bouwstenen, die de wetenschappers modules noemen, zijn niet dipolair maar quadrupolair, wat betekent dat ze elk twee noordpolen en twee zuidpolen hebben. Binnen elk van de modules, die zijn 3D-geprint in plastic, er zijn twee kleine conventionele dipoolmagneten met hun gelijke polen naar elkaar gericht (zie afbeelding). De bouwstenen kunnen als kleine schaakborden worden samengevoegd tot tweedimensionale vormen. Het werkt als volgt:Omdat de zuid- en noordpool elkaar aantrekken, een vierpolige bouwblok met zijn twee zuidpolen naar links en rechts gericht, zal aantrekken, aan elk van zijn vier zijden, een bouwsteen die 90 graden is gedraaid, zodat de noordpool links en rechts staat.

Voortbouwend op dit principe, de wetenschappers maakten gekleurde modules met een randlengte van iets meer dan twee millimeter. Ze verzamelden ze in pixelart-emoji's om te demonstreren wat de modules kunnen doen. Echter, mogelijke use-cases gaan veel verder dan dergelijke gimmicks. "We zijn vooral geïnteresseerd in toepassingen op het gebied van zachte robotica, " zegt Hongri Gu, een doctoraatsstudent in de groep van professor Bradley Nelson aan de ETH en hoofdauteur van het artikel dat de wetenschappers onlangs publiceerden in Wetenschap Robotica .

Quadrupool en dipool in dezelfde bouwsteen

De quadrupool domineert de magnetische eigenschappen van de modules. Het is iets ingewikkelder dan dat, Hoewel, want naast de sterke quadrupool, de wetenschappers bouwden ook een zwakke dipool in de bouwstenen. Ze bereikten dit door de kleine magneten in de module onder een kleine hoek ten opzichte van elkaar te plaatsen in plaats van parallel (zie afbeelding).

"Dit zorgt ervoor dat de modules zich uitlijnen met een extern magnetisch veld, zoals een kompasnaald doet, Gu legt uit. "Met een variabel magnetisch veld, we kunnen dan de vormen verplaatsen die we uit de modules hebben opgebouwd. Voeg wat flexibele connectoren toe en het is zelfs mogelijk om robots te bouwen die kunnen worden bestuurd door een magnetisch veld."

Gu vertelt dat hun werk in eerste instantie ging over het ontwikkelen van het nieuwe principe. Het is maat onafhankelijk, hij zegt, wat betekent dat er geen reden is waarom er geen veel kleinere quadrupoolmodules zouden kunnen worden ontwikkeld. De wetenschappers onderzoeken ook hoe de modules kunnen worden gebruikt om met behulp van een magnetisch veld een lineaire structuur te combineren tot een multidimensionaal object. Dit is iets dat in de toekomst van pas kan komen in de geneeskunde:het is denkbaar dat objecten zoals stents gevormd kunnen worden uit een draad die uit dergelijke modules bestaat. De draad kan op een relatief eenvoudige, minimaal invasieve procedure door een kleine opening en vervolgens een magnetisch veld toegepast om het samen te voegen tot de uiteindelijke multidimensionale structuur in het lichaam.