Учёные создали сверхбыстрого мягкого робота для медицинских задач

Учёные разработали мягкого робота, вдохновлённого движением медуз, который способен перемещаться в воде с рекордной скоростью и выполнять сложные биомедицинские задачи без встроенного источника питания. Новая система получила название Jellyfish Magnetic Soft Robot (J-MSR) и использует внешнее магнитное управление, что позволяет сохранять лёгкость, гибкость конструкции и одновременно обеспечивать высокую скорость движения в жидкой среде.

Робот создан по образцу настоящих медуз и воспроизводит их принцип движения за счёт координированного сокращения и расслабления корпуса. В отличие от традиционных подводных роботов, устройство не содержит внутреннего питания и управляется при помощи внешних магнитных полей. Такой подход позволил исследователям отказаться от тяжёлых и громоздких элементов конструкции, сохранив компактность системы.

Для повышения эффективности специалисты смоделировали работу устройства с помощью полностью связанной магнитно-жидкостно-твердотельной симуляции в программной среде COMSOL. Это позволило точно настроить параметры движения, включая плотность магнитного потока и временные фазы сокращения и восстановления. Главной задачей было уменьшение сопротивления воды и увеличение тяги без использования дополнительных систем плавучести, которые обычно повышают сопротивление движению.

Исследователи сосредоточились на создании асимметричной схемы движения, аналогичной той, что используют живые медузы. У настоящих медуз фаза сокращения происходит быстрее, чем восстановление формы, благодаря чему они эффективнее выталкивают воду назад и сохраняют устойчивость при скольжении. Учёные воспроизвели этот принцип при помощи асимметричной трапециевидной формы магнитного сигнала.

По словам профессора Цюаньляна Цао, медузы создают пространственную и временную асимметрию во время плавания, поскольку их сокращение происходит быстрее и охватывает большую площадь, чем фаза восстановления. Исследователь отметил, что команда не просто скопировала природный механизм, а оптимизировала сразу шесть параметров магнитного сигнала, включая положительные и отрицательные значения магнитной индукции, а также продолжительность фаз предварительной подготовки, сокращения, скольжения и восстановления.

После оптимизации робот достиг скорости 14,85 длины собственного тела в секунду, несмотря на то что его плотность превышает плотность воды более чем на 0,4 г/см³ и он обладает отрицательной плавучестью. Конструкция не использует вспомогательные плавучие элементы, которые обычно ухудшают аэродинамические и гидродинамические характеристики мягких подводных роботов.

Профессор Цао заявил, что новая платформа открывает перспективы для малоинвазивной диагностики и лечения, включая обследование желудка и адресную доставку лекарств, причём без необходимости в кабелях или встроенном источнике питания.

Система также превзошла предыдущие модели роботов, вдохновлённых медузами, скорость которых составляла около 10 длин тела в секунду. По словам исследователей, прирост производительности обеспечен сочетанием быстрого сокращения корпуса и тщательно рассчитанной фазы скольжения, уменьшающей сопротивление воды.

Профессор Линин Яо подчеркнул, что добиться таких характеристик удалось без использования дополнительных плавучих конструкций, которые увеличивали бы сопротивление и снижали эффективность использования внутреннего пространства устройства.

Помимо высокой скорости робот способен переключаться между несколькими режимами передвижения. Благодаря изменению внутренней намагниченности и применению трёхосевой системы катушек Гельмгольца устройство может двигаться под углами от 0 до 122 градусов, перекатываться, подниматься по наклонным поверхностям и проходить через узкие и изогнутые участки.

Во время испытаний на модели желудка свиньи исследователи установили, что для прохождения сложных внутренних структур необходимы различные режимы движения. Простое перекатывание оказалось недостаточным для преодоления узких складок, однако сочетание вертикального всплытия и горизонтального плавания позволило успешно пройти препятствия.

В центральной части робота предусмотрена полость диаметром 10 мм для размещения полезной нагрузки, включая датчики и медицинские инструменты. Во время демонстраций устройство переносило светодиоды, беспроводные катушки и микроиглы без снижения эффективности движения.

Учёные также продемонстрировали возможность беспроводного питания и активации функций робота при помощи магнитных полей разных частот. Низкочастотные поля использовались для управления движением, а высокочастотные позволяли активировать встроенные функции, включая нагрев и генерацию сигналов.

В одном из экспериментов робот использовал систему переменной плотности, позволяющую временно изменять плавучесть за счёт испарения жидкости с низкой температурой кипения. Благодаря этому устройство могло захватывать объекты, а затем подниматься вместе с ними на поверхность.

Во время биомедицинских испытаний микроигла, установленная на роботе, обеспечила точность наведения 4,4 ± 1,85 мм в модели желудка. Система также успешно работала совместно с капсульным эндоскопом, наклоняясь до 21,8 градуса для получения изображений под разными углами внутри желудочной среды.

Исследователи сообщили, что в дальнейшем намерены сосредоточиться на полном трёхмерном управлении системой, оптимизации с использованием машинного обучения и создании автономной навигации с обратной связью для медицинского применения.

Работа демонстрирует, как мягкая робототехника может объединять гидродинамику, магнитное управление и биомедицинские функции в одной платформе без встроенного источника питания.