Magnetische mini-robots kunnen lopen, kruipen en zwemmen

"Dit is de eerste keer dat het lukt om driedimensionale voortbeweging van robots te kunnen besturen met een eendimensionaal magnetisch veld", zegt MIT-hoogleraar Polina Anikeeva die vorige maand een open access paper over de magnetische robots publiceerde in het tijdschrift Advanced Materials. “Doordat de robots uit (zachte) polymeren bestaan, heb je geen heel groot magnetisch veld nodig om ze te activeren. Het is eigenlijk een heel klein magnetisch veld dat deze robots aandrijft.”

De nieuwe robots zijn zeer geschikt om objecten door krappe ruimtes te vervoeren en hun rubberen behuizing is zacht voor kwetsbare omgevingen, waardoor de technologie perspectief biedt voor biomedische toepassingen. Een voor de hand liggende toepassing is het vervoer van medicijnen door nauwe bloedvaten.

Behalve hoogleraar materiaalkunde en engineering is Anikeeva ook gespecialiseerd in hersen- en cognitieve wetenschappen. De robots die zij en haar team hebben gebouwd zijn enkele millimeters lang, maar het is ook mogelijk om nog veel kleinere robots te produceren.

Magnetisch aangedreven op vezels gebaseerde zachte robots (© MIT)

Magnetische robots

Anikeeva zegt dat tot nu toe magnetische robots hebben bewogen als reactie op bewegende magnetische velden. “Als je wilt dat je robot loopt, loopt je magneet mee. Als je wilt dat hij draait, draai je je magneet.” Dat beperkt de instellingen waarin dergelijke robots kunnen worden ingezet. “Als je probeert te werken in een zeer krappe omgeving, is een bewegende magneet misschien niet de veiligste oplossing. Je wilt een stationair instrument kunnen hebben dat alleen een magnetisch veld uitoefent op het hele monster.”

Youngbin Lee, een voormalige PhD-student in het laboratorium van Anikeeva, ontwikkelde een oplossing voor dit probleem. De robots die hij bouwde, zijn niet uniform gemagnetiseerd. In plaats daarvan zijn ze strategisch gemagnetiseerd in verschillende zones en richtingen, zodat een enkel magnetisch veld de aandrijving van magnetische krachten mogelijk maakt.

Sandwich van rubbersoorten

Voordat ze worden gemagnetiseerd, moeten de flexibele, lichtgewicht robots worden vervaardigd. Lee maakte gebruik van twee soorten rubber, elk met een andere stijfheid. Deze worden op elkaar geklemd, vervolgens verwarmd en uitgerekt tot een lange, dunne vezel. Vanwege de verschillende eigenschappen van de twee materialen behoudt één van de rubbers zijn elasticiteit door dit rekproces, terwijl de andere vervormt en niet kan terugkeren naar zijn oorspronkelijke maat. Dus wanneer de spanning wordt losgelaten, trekt één laag van de vezel samen, terwijl de andere laag het geheel in een strakke spiraal trekt. Volgens Anikeeva is de spiraalvormige vezel gemodelleerd naar de kronkelige ranken van een komkommerplant, die spiraalsgewijs bewegen doordat de eerste laag cellen water verliest en sneller samentrekt dan een tweede laag.

Een derde materiaal – dat bestaat uit deeltjes die magnetisch kunnen worden – is opgenomen in een ‘ader’ die door de rubberachtige vezel loopt. Als de spiraal eenmaal is gemaakt, is het mogelijk een magnetisch patroon te introduceren om een specifieke beweging te programmeren. “Youngbin Lee maakte berekeningen om te bepalen hoe we bij het aanleggen van een magnetisch veld zo'n profiel van krachten op de robots kunnen zetten dat deze daadwerkelijk gaat lopen of kruipen."

Om bijvoorbeeld een rupsachtige kruipende robot te vormen, wordt de spiraalvormige vezel gevormd tot zachte golvingen. Door het lichaam, de kop en de staart te magnetiseren ontstaat een magnetisch veld dat loodrecht op het bewegingsvlak van de robot wordt uitgeoefend. Dit zorgt ervoor zorgt dat het lichaam gaat samentrekken. Wanneer je het veld tot nul terugbrengt wordt de compressie opgeheven en strekt de kruipende robot zich uit. Samen stuwen deze bewegingen de robot vooruit. Een andere robot waarin twee voetachtige spiraalvormige vezels zijn verbonden met een gewricht, kreeg een magnetisch patroon dat een beweging mogelijk maakt die meer op lopen lijkt.

Biomedische toepassingen

Het is mogelijk elke specifieke robottaak te programmeren, waardoor de robots eenvoudig te bedienen zijn. Een zwak magnetisch veld activeert het programma en drijft het specifieke type beweging van de robot aan. Een enkel magnetisch veld kan zelfs meerdere robots in tegengestelde richting laten bewegen, als ze daarvoor zijn geprogrammeerd. Het team van Anikeeva ontdekte dat een kleine manipulatie van het magnetische veld een nuttig effect heeft: met een schakelaar om het veld om te keren, kan een robot die een object vervoert zachtjes schudden en zijn lading vrijgeven.

Anikeeva kan zich voorstellen dat deze robots met een zacht lichaam – die eenvoudig op grotere schaal te produceren zijn – objecten kunnen vervoeren door smalle pijpen of zelfs in het menselijk lichaam. Ze kunnen bijvoorbeeld een medicijn door nauwe bloedvaten vervoeren en het precies daar vrijgeven waar het nodig is. De magnetisch aangedreven apparaten hebben volgens haar een biomedisch potentieel dat nog verder reikt dan de toepassing in robots. Ze zouden bijvoorbeeld kunnen worden opgenomen in kunstmatige spieren of materialen die weefselregeneratie ondersteunen.