Инженеры MIT разработали микророботов, напечатанных на 3D-принтере, которыми можно управлять с помощью магнитов

Инженеры Массачусетского технологического института разработали новый мягкий магнитный гидрогель, который можно использовать для 3D-печати микроскопических структур. В отличие от предыдущих магнитных материалов, которые двигаются как единое целое, этот новый гель позволяет отдельным частям крошечного робота деформироваться и двигаться независимо друг от друга в ответ на воздействие внешнего магнита. Эта разработка стала возможна благодаря совместной работе специалистов Массачусетского технологического института, Швейцарской высшей технической школы Лозанны и Университета Цинциннати. Такие управляемые магнитом мягкие роботы могут использоваться в здравоохранении для сбора крошечных медицинских образцов или доставки лекарств в организм.

Исследователи из Массачусетского технологического института отдают приоритет магнитным стимулам перед другими триггерами, такими как свет или химические вещества, из-за их уникальной скорости и удобства. Магнитные поля позволяют осуществлять мгновенное беспроводное управление на расстоянии, устраняя необходимость в медленных химических реакциях или физическом контакте. Этот «программируемый» подход обеспечивает мгновенное изменение свойств материала для высокоточных микророботов с дистанционным управлением. В рамках новой работы были созданы крошечные 3D-печатные «леденцы» из специального магнитного геля, каждый из которых меньше песчинки. И что интересно, такой леденец может мгновенно превращаться в роботизированный захват, если поднести к нему магнит.

Обычно для создания магнитных структур размером менее миллиметра исследователи используют двухфотонную литографию — технологию 3D-печати с высоким разрешением, в которой лазеры используются для затвердевания смолы. Однако стандартная 3D-печать магнитных материалов затруднена, потому что магнитные наночастицы, по сути крошечные кусочки металла, рассеивают лазерный свет и слипаются. Это вмешательство снижает мощность лазера и ухудшает структурную целостность отпечатка, что часто делает невозможным создание сложных, функциональных микроконструкций. Чтобы преодолеть эти препятствия, в данной работе был использован двухстадийный процесс производства, который добавляет магнитные свойства после завершения 3D-печати. Сначала команда печатает чистую полимерную микроструктуру, а затем погружает ее в последовательные химические ванны, чтобы вырастить наночастицы оксида железа прямо внутри геля. Более того, плотностью геля можно управлять, регулируя мощность лазера во время начальной печати. Более плотный гель поглощает меньше ионов, что позволяет точно настраивать магнетизм отдельных компонентов внутри одного микроскопического робота.

Чтобы продемонстрировать точность материала, напечатанные на 3D-принтере структуры в виде леденцов были намагничены до разного уровня. При воздействии обычного холодильного магнита эти отдельные компоненты реагировали с разной силой, позволяя группе леденцов двигаться согласованно. Это синхронизированное движение имитировало движение сжимающихся пальцев, демонстрируя, что эти микроскопические структуры могут функционировать как сложные дистанционно управляемые роботизированные инструменты. Исследователи также сконструировали бистабильный переключатель, используя прямоугольник из геля длиной в миллиметр, оснащенный магнитными «веслами» размером с эритроцит. Воздействие внешнего магнита заставляет эти весла переключаться, чтобы вытянуть и зафиксировать устройство либо во включенном, либо в выключенном положении, функционируя как дистанционно управляемый тумблер. Этот механизм может служить микроскопическим клапаном для регулирования потока жидкости в медицинских устройствах.