Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een techniek ontwikkeld om kettingen van magnetische nanodeeltjes te gebruiken om elastische polymeren in drie dimensies te manipuleren, die kunnen worden gebruikt om op afstand nieuwe 'zachte robots' te besturen.

De mogelijkheid om de beweging van zachte robots te controleren, in combinatie met hun flexibiliteit, biedt hen potentiële toepassingen, variërend van biomedische technologieën tot productieprocessen. Onderzoekers zijn geïnteresseerd in het gebruik van magnetische velden om de beweging van deze zachte robots te besturen, omdat dit op afstand kan worden gedaan - de controle kan worden uitgeoefend zonder fysiek verbinding te maken met het polymeer - en omdat magnetische velden gemakkelijk kunnen worden verkregen van permanente magneten en elektromagneten.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om lange ketens van magnetietdeeltjes op nanoschaal in platen van elastisch polymeer in te bedden om een ​​magnetisch polymeer nanocomposiet te vormen. Door een magnetisch veld aan te leggen, de onderzoekers kunnen bepalen hoe het nanocomposiet buigt - waardoor het een zachte robot wordt.

Het proces begint met het dispergeren van nanodeeltjes van magnetiet - een ijzeroxide - in een oplosmiddel. Een polymeer wordt vervolgens opgelost in het mengsel, die in een mal wordt gegoten om de gewenste vorm te vormen. Er wordt dan een magnetisch veld aangelegd, waardoor de magnetiet nanodeeltjes zichzelf rangschikken in parallelle ketens. De oplossing wordt gedroogd, de kettingen op hun plaats vergrendelen, en het afgewerkte nanocomposiet kan worden gesneden, om de vorm verder te verfijnen.

"Door deze techniek te gebruiken, we kunnen grote nanocomposieten maken, in veel verschillende vormen, die op afstand kan worden gemanipuleerd, " zegt Sumeet Mishra, een doctoraat student bij NC State en hoofdauteur van een paper over het werk. "De nanodeeltjesketens geven ons een verbeterde respons, en door de sterkte en richting van het magnetische veld te regelen, je kunt de omvang en richting van de bewegingen van zachte robots bepalen."

Het mechanisme komt voort uit de structuur van de kettingen. De onderzoekers hebben ook een eenvoudig model geconstrueerd om uit te leggen hoe de geketende nanodeeltjes de mechanische respons in magnetische velden beïnvloeden.

"De sleutel hier is dat de nanodeeltjes in de ketens en hun magnetische dipolen kop aan staart zijn gerangschikt, met het positieve uiteinde van het ene magnetische nanodeeltje uitgelijnd met het negatieve uiteinde van het volgende, helemaal langs de lijn, " zegt Joe Tracy, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering bij NC State en corresponderende auteur van het papier. "Het gaat om iets dat magnetische anisotropie wordt genoemd, die wordt veroorzaakt door het samenvoegen van de nanodeeltjes tot ketens. Wanneer een magnetisch veld in een willekeurige richting wordt aangelegd, de ketting heroriënteert zich om zo evenwijdig mogelijk aan het magnetische veld te worden, alleen beperkt door de beperkingen van de zwaartekracht en de elasticiteit van het polymeer."

De onderzoekers denken dat deze techniek vooral aantrekkelijk kan zijn voor sommige biomedische toepassingen, in vergelijking met zachte robotica die voor controle afhankelijk zijn van elektriciteit of licht. "Elektrische besturing kan veiligheidsproblemen opleveren voor sommige medische toepassingen, ", zegt Mishra. "En zowel elektrische als lichtsignalen vormen een uitdaging bij het communiceren van die signalen naar apparaten die in het lichaam zijn ingebed. Magnetische velden, anderzijds, gemakkelijk passeren - en minder veiligheidsuitdagingen opleveren."

Deze techniek maakt gebruik van goedkope en algemeen beschikbare materialen, en het proces is relatief eenvoudig en gemakkelijk uit te voeren, zeggen de onderzoekers.

De krant, "Selectieve en directionele activering van elastomeerfilms met behulp van geketende magnetische nanodeeltjes, " is online gepubliceerd in het tijdschrift Royal Society of Chemistry nanoschaal .