✅Самостоятельный мягкий робот с программируемым намагничиванием и встроенными многофункциональными модулями

 

Рис. 1. Принципиальная схема интеграции намагниченных моделей NdFeB и функциональных модулей для программируемых и многофункциональных магнитных мягких роботов и их приложений.

Аннотация

Интеллектуальные магнитные мягкие роботы, способные к программируемым структурным изменениям и многофункциональности, зависят от архитектуры материала и методов управления профилями намагничивания. Несмотря на то, что были предприняты некоторые усилия, все еще существуют ключевые проблемы в достижении программируемого профиля намагничивания и создании разнородных архитектур. Здесь мы непосредственно встраиваем запрограммированные схемы намагничивания (модули намагничивания) в слои клеевых наклеек для создания мягких роботов с программируемыми профилями и геометрией намагничивания, а затем интегрируем пространственно распределенные функциональные модули.

 Функциональные модули, включая частицы, чувствительные к температуре и ультрафиолетовому излучению, листы, чувствительные к pH, пенопласты, позиционирующие электронные компоненты, пленки для схем и терапевтические пластыри, интегрированы в мягкие роботы. Эти испытательные стенды используются для изучения мультимодального передвижения роботов и различных применений, связанных с зондированием и обнаружением окружающей среды, ремонтом цепей и покрытием язв желудка соответственно. Предложенный подход к разработке модульных систем из мягких материалов может расширить функциональность, универсальность и адаптивность мягких роботов.

Введение

В последние годы был достигнут огромный прогресс в разработке малогабаритных, неуправляемых мягких роботизированных систем, которые способны программировать изменение формы с помощью магнитных полей, света, температуры, химических сигналов и других форм внешнего воздействия или воздействия окружающей среды. Такие системы обеспечивают все большее число перспективных применений в захвате грузов (1-7), интеллектуальной электронике (8-12), прецизионных лекарствах (1, 8, 13-17) и бионике (18-23). Однако дальнейший прогресс в создании мягких роботов, реагирующих на стимулы, которые способны имитировать богатую многофункциональность, ловкость и физическую адаптивность живых существ (24), остается заметной проблемой (25, 26). Одним из основных ограничений является то, как интегрировать несколько функциональных модулей с различным составом материалов в один мягкий робот (27-31). Хотя было разработано множество примеров материалов, реагирующих на раздражители, способных к обратимому изменению формы, передвижению и восприятию, существует относительно мало примеров разнородных архитектур, которые объединяют эти функциональные возможности в единую интегрированную систему. Это особенно верно для магнитно-активируемых мягких роботов, для которых профиль намагничивания можно точно регулировать для достижения программируемых структурных изменений для мультимодальных движений и разнообразных применений (1, 8, 27). Этим существующим роботам не хватает возможности замкнуть цикл между зондированием, обработкой сигналов и приведением в действие (32). В этом отношении одновременная интеграция программируемых структурных изменений и различных функциональных модулей остается ключевой научной задачей при разработке магнитно-чувствительных материальных систем, которые демонстрируют интеллект робота (24, 33).

Еще одним ограничением существующих магнитных мягких роботов является то, что современные методы производства, проектирования материалов, изменения геометрии и эксплуатации приводят к образованию деформаций при изгибе и сгибании. Большинство из этих методов включают создание профилей дискретной намагниченности (равномерной намагниченности) магнитно-твердых частиц [неодим-железо-бор (NdFeB) и диоксид хрома] путем изменения ориентации намагниченных микрочастиц (13) и наномагнитов (20) локально или глобально внутри мягкого робота. Это достигается с использованием различных технологий изготовления, включая трехмерную (3D) печать (8, 34, 35), литографию (2), электронно-лучевую литографию наномагнетиков (20), лазерный нагрев (3, 9), напыление (13) и сборку намагниченных модулей с динамическим ковалентнымсвязующие (36, 37) и связующий агент (14, 38). Хотя магнитное программирование с помощью шаблонов обеспечивает непрерывное намагничивание (неравномерное намагничивание) для простой криволинейной деформации (1,39), трансформирующие мягкие роботы, содержащие несколько изогнутых конструкций, трудно изготовить с использованием этого метода из-за требований соответствия формы, сложной геометрии шаблона и сложных операций. Альтернативно, сборка намагниченных модулей имеет потенциал для достижения этой цели, но была предложена только концепция для этих модульных архитектур (14). Кроме того, сборка намагниченных модулей позволяет избежать ограничений обработки предыдущих методов для создания произвольной 3D-геометрии (14). Однако трудоемкие этапы соединения между отдельными намагниченными модулями увеличивают продолжительность и сложность изготовления. Таким образом, следует разработать более эффективный подход для достижения программируемой равномерной и неравномерной сборки намагничивания и 2D и 3D геометрии мягких роботов.

Что касается многофункциональных мягких роботов, универсальной стратегией является интеграция различных функциональных модулей [логические микрофлюидные системы (40), датчики температуры (27), светочувствительность (41), биочувствительность (42, 43), супергидрофобные поверхности (27), клеточные клетки (14) и т.д.] из мягких материалов. Эти модули состоят из микро / наночастиц, схемной проводки и микроэлектронных компонентов. Учитывая мягкую и тонкую структуру магнитных мягких роботов, важно, чтобы внедрение функциональных модулей не нарушало их естественную механику и деформируемость. Между тем, необходимо разработать общую материальную архитектуру для обеспечения бесшовной интеграции различных модулей. Группа Ву (27 человек) добилась введения различных функциональных частиц в различные области мягких роботов для деформации, супергидрофобной поверхности и зондирования. Группа Ситти (14) интегрировала микрокамеры на поверхности мягких роботов для транспортировки клеток, что не оказывает видимого влияния на деформацию мягких роботов.Несмотря на то, что некоторые расширенные функции были интегрированы, для интеграции функциональных модулей необходимы дополнительные этапы соединения, и может произойти расслоение из-за различных свойств материала и ограниченного выбора связующего. Поэтому интеграция различных функциональных модулей с различными свойствами материалов и формами все еще требует дальнейших исследований для создания более интеллектуальных магнитных мягких роботов. Кроме того, некоторые функциональные модули необходимо удобно заменять после их использования или повреждения для устойчивого использования мягких роботов.

Здесь мы решаем эти проблемы с помощью модульной мягкой магнитной архитектуры, в которой отдельные блоки содержат микрочастицы NdFeB с заданными профилями намагниченности (равномерной или неоднородной). Модульные блоки намагничивания непосредственно встраиваются в сеть слоев клейких наклеек для формирования магнитных мягких роботов с произвольной 2D и 3D геометрией. Множество функциональных модулей с различными свойствами материала и факторами образования (например, частицы, бумага, пленки, пены и электронные компоненты) могут быть легко интегрированы благодаря надежной адгезии для формирования соединенных сетей. Клейкая наклейка, пригодная для вторичной переработки, позволяет легко заменять некоторые функциональные модули после использования. В качестве концептуальных демонстраций многофункциональных мягких роботов мы представляем датчики температуры и ультрафиолетового (УФ) света, детекторы pH, полидиметилсилоксановые (PDMS) пены, радиочастотный идентификатор (RFID) и пленки для загрузки лекарств, а также демонстрируем возможность создания магнитных мягких роботов, способных к мультимодальным движениям и применениям в окружающей среде.зондирование и обнаружение, позиционирование, ремонт цепи и лечение язвы желудка. Наш подход упрощает этапы изготовления интеллектуальных мягких роботов с настраиваемой формой, деформацией и функцией, что открывает возможности их применения во многих областях.

Результаты

Проектирование и изготовление программируемых и многофункциональных магнитных мягких роботов

Принципиальная схема изготовления и применения многофункциональных мягких роботов показана на рис. 1. В процессе изготовления шаблоны, состоящие из микрочастиц NdFeB, сначала намагничиваются методом с помощью шаблона (рис. S1) с намагничивателем (39). Таким образом достигаются модели NdFeB с равномерными (в плоскости и вне плоскости) или неоднородными профилями намагничивания. Затем намагниченные узоры NdFeB выборочно внедряются в сеть клейких наклеек на верхней и нижней сторонах двухстороннего клея, образуя программируемый магнитный корпус мягкой роботизированной системы. Положение и направление намагниченных рисунков определяются желаемыми формами и структурными изменениями мягких роботов. В этом процессе не требуется дополнительного этапа соединения из-за общей сетки и липкости двухсторонних клеевых слоев. Затем магнитные мягкие роботы вырезаются из двухстороннего клея, после чего они приводятся в действие пространственно неоднородным магнитным полем. В приводном магнитном поле трехмерная деформация мягкого робота в первую очередь обусловлена магнитными моментами, которые выравнивают локальную намагниченность с направлением поля, а затем магнитные силы увеличивают или уменьшают деформацию робота в зависимости от соотношения между переориентированной намагниченностью первоначальной деформации, вызванной крутящим моментом, и направлением вращения.градиент магнитного поля (44, 45). Магнитный отклик робота будет включать либо складывание, либо непрерывные структурные изменения в зависимости от того, запрограммирован ли он с равномерным или неравномерным профилем намагничивания соответственно. Мы отмечаем, что области на обеих сторонах двусторонней ленты, которые не содержат микрочастиц NdFeB, могут быть заполнены микроэлектроникой, электропроводкой и другими элементами для поддержки дополнительных функций робота. Затем функциональные модули легко встраиваются во внутреннюю сеть (частицы, чувствительные к температуре и ультрафиолетовому излучению) или на внешнюю поверхность (pH-бумага, пена PDMS и RFID) путем приклеивания к этим немагнитным участкам. Будучи зрелым коммерческим продуктом, клейкая наклейка была разработана и усовершенствована для плотного соединения различных материалов под небольшим давлением, что выгодно для надежного сопряжения модульных блоков. В результате мягкие роботы могут выполнять мультимодальные движения и обеспечивать распознавание окружающей среды, позиционирование и ремонт цепей, комбинируя специализированные функции каждого устройства.

Программирование и передача намагниченных шаблонов NdFeB ( см. рис 1)

Синтез и передача предписанных шаблонов NdFeB и профилей намагничивания (однородных или неоднородных) являются основой магнитных мягких роботов. На рисунке 2А подробно описаны эти процессы. Сначала восковая маска с рисунком (толщиной 10,4 мкм) печатается на полиэфиримидной (PEI) ленте с тонким клеевым слоем с помощью воскового принтера (рис. 2B). Лента PEI теряет свою липкость в областях, покрытых воском. Затем микрочастицы NdFeB наклеиваются на открытые участки ленты PEI, тем самым формируя узоры NdFeB (рис. 2C, фиг. S2A и фильм S1). Затем ленту PEI замачивают в растворе этилацетата на 5 минут, чтобы удалить восковую маску. Из-за набухания клеевого слоя восковой рисунок на поверхности ленты PEI можно легко удалить после замачивания и легкого встряхивания (рис. S2B и фильм S1). Однако схемы NdFeB (рис. 2D) стабильно закреплены в сети клеевого слоя, и микрочастицы NdFeB практически не наблюдаются после притяжения раствора этилацетата магнитом (фиг. S2C). Узорчатый NdFeB на ленте PEI отныне называется пленкой NdFeB / PEI. На изображениях сканирующей электронной микроскопии (SEM) в поперечном сечении (рис. 2F) мы обнаруживаем, что небольшая часть объема микрочастиц NdFeB находится внутри тонкого адгезивного слоя, что указывает на превосходную липкость адгезивного слоя.Плоскостное разрешение элементов NdFeB с рисунком может достигать 40 мкм (рис. S3), который закладывает основу для малогабаритных магнитных мягких роботов.

(A) Процесс изготовления моделей из NdFeB. Оптические изображения (B) восковой маски на ленте PEI, (C) узоров NdFeB и восковой маски на ленте PEI, (D) узоров NdFeB на ленте PEI после удаления воска, (E) узоров NdFeB на двусторонней ленте. SEM-изображения микрочастиц NdFeB в поперечном сечении на (F) PEI и (G) двухсторонних лентах. (H) увеличенные оптические изображения и (I) СЭМ-изображение намагниченных и немагнитных микрочастиц NdFeB на двухсторонних лентах разной толщины. (J) Изображения под магнитооптическим микроскопом намагниченных структур NdFeB [равномерное (в плоскости и вне плоскости) и неравномерное намагничивание] до переноса и после переноса. (K) Эффективность переноса микрочастиц NdFeB в двухсторонних лентах. Стабильность рисунков NdFeB с (L) равномерным и (M) неравномерным намагничиванием на двусторонней ленте после магнитных стимулов в течение 2000 раз.

Рис. 2. Изготовление и перенос шаблонов NdFeB.

(A) Процесс изготовления моделей из NdFeB. Оптические изображения (B) восковой маски на ленте PEI, (C) узоров NdFeB и восковой маски на ленте PEI, (D) узоров NdFeB на ленте PEI после удаления воска, (E) узоров NdFeB на двусторонней ленте. SEM-изображения микрочастиц NdFeB в поперечном сечении на (F) PEI и (G) двухсторонних лентах. (H) увеличенные оптические изображения и (I) СЭМ-изображение намагниченных и немагнитных микрочастиц NdFeB на двухсторонних лентах разной толщины. (J) Изображения под магнитооптическим микроскопом намагниченных структур NdFeB [равномерное (в плоскости и вне плоскости) и неравномерное намагничивание] до переноса и после переноса. (K) Эффективность переноса микрочастиц NdFeB в двухсторонних лентах. Стабильность рисунков NdFeB с (L) равномерным и (M) неравномерным намагничиванием на двусторонней ленте после магнитных стимулов в течение 2000 раз.

Мы также исследуем возможность переноса узорчатого слоя NdFeB с ленты PEI на двустороннюю ленту. Пленка NdFeB / PEI наносится на двустороннюю ленту стороной NdFeB вниз. После приложения давления большая часть микрочастиц NdFeB переносится на толстый клейкий слой двусторонней ленты (рис. 2E). После снятия ленты PEI большая часть частиц NdFeB переносится на двустороннюю ленту (рис. 2G и видеоролик S1). Однако некоторые микрочастицы NdFeB все еще остаются на ленте PEI, что объясняется ее неоднородным размером, как показано на изображениях SEM (рис. S4). Кроме того, некоторые мелкие микрочастицы NdFeB глубоко проникают в клейкий слой ленты PEI или не вступают в первоначальный контакт с двухсторонней лентой из-за помех от более крупных микрочастиц NdFeB во время процесса переноса (рис. S5). Однако, хотя более крупные микрочастицы NdFeB могут препятствовать переносу некоторых более мелких частиц, они, тем не менее, важны, поскольку обеспечивают мягкому роботу более сильный отклик на магнитную силу (рис. S6). Между тем, для размещения микрочастиц NdFeB большего размера необходим более толстый клеевой слой. Как показано на рис. 2H и фиг. В S7 и S8 мы исследуем перенос намагниченных и намагниченных микрочастиц NdFeB со средними размерами 38,0, 75,0 и 150,0 мкм на двухсторонние ленты различной толщины (0,3, 0,5 и 1,0 мм). Эти микрочастицы NdFeB равномерно распределены на двухсторонних лентах, что также продемонстрировано на изображении SEM (рис. 2I). Намагниченные микрочастицы NdFeB не скапливаются, демонстрируя, что микрочастицы NdFeB стабильно и раздельно закреплены в клеевом слое, что необходимо для равномерной и последовательной деформации мягких роботов. Поэтому предлагаемая нами стратегия подходит для изготовления магнитных мягких роботов различной толщины. По мере увеличения толщины двухсторонних лент в клеевой слой вводится больше микрочастиц NdFeB, и эффективность переноса увеличивается. По мере увеличения размера микрочастиц NdFeB эффективность их переноса в двухсторонних лентах одинаковой толщины снижается. Мы рассчитываем эффективность их переноса, измеряя вес микрочастиц NdFeB в ленте PEI до и после переноса (рис. 2K). Все измеренные коэффициенты эффективности передачи превышают 85,0%, гарантируя, что наша стратегия может быть эффективно использована для сборки моделей NdFeB для магнитных мягких роботов.

Мы также сравниваем профили намагниченности намагниченных образцов NdFeB до переноса (в PEI) и после переноса (на двухсторонних лентах), снятых магнитооптическим микроскопом (рис. 2J). Пленки NdFeB/PEI намагничиваются методом с помощью шаблона (рис. S1) (39). Мы обнаружили, что профили намагничивания остаются неизменными, при этом не наблюдается явных различий для равномерного (в плоскости и вне плоскости намагничивания) или неравномерного намагничивания. Это наблюдение указывает на то, что микрочастицы NdFeB не вращаются и не смещаются легко в процессе нажатия и царапания из-за сильного сцепления и эластичности клейкой наклейки, что имеет решающее значение для успешного изготовления ожидаемых магнитных мягких роботов с высокой точностью профилей намагничивания. Микрочастицы NdFeB также надежно закреплены на двусторонней ленте и не могут быть повернуты или перемещены даже после многократной стимуляции магнитным полем (100 мТл) в течение 2000 циклов (рис. 2, L и M). На двустороннюю ленту вставлены два прямоугольных рисунка NdFeB с равномерным и неравномерным намагничиванием (10 мм на 2 мм на 0,03 мм и 10 мм на 2 мм на 0,1 мм), чтобы продемонстрировать их стабильность. Неожиданно, почти не наблюдается изменений высоты и кривизны, что указывает на то, что мягкие роботы, изготовленные по нашей стратегии, могут использоваться в течение длительного времени даже при использовании самых крупных микрочастиц NdFeB (150,0 мкм) и тончайшей двусторонней ленты (0,03 мм). Кроме того, мягкие роботы также стабильны после ультразвукового воздействия в воде в течение 1 часа и магнитной стимуляции в растворах HCl, растворах NaOH, этаноле, желудочных жидкостях, крови, слюне и моче в течение 2 часов (рис. S9). Таким образом, предлагаемая стратегия изготовления и переноса намагниченных шаблонов NdFeB проста, надежна и подходит для разработки программируемых магнитных мягких роботов.

Процесс сборки и конструктивные изменения мягких роботов с 2D геометрией

Далее мы собираем несколько программируемых магнитных мягких роботов с равномерным и неравномерным намагничиванием и 2D и 3D геометрией, чтобы исследовать изменения их формы. Взаимосвязь между формой шаблона и профилями намагничивания всех моделей NdFeB была предоставлена для понимания структурных изменений собранных мягких роботов (рис. S1). Их конкретные геометрические параметры приведены на рис. S10. Тончайшая двусторонняя лента (0.Микрочастицы NdFeB (03 мм) и микрочастицы среднего размера (75,0 мкм) выбраны для обеспечения быстрого изменения формы и быстрого магнитного отклика мягких роботов. Хотя микрочастицы NdFeB большего размера (150,0 мкм) могут обеспечить более быстрый магнитный отклик, слишком большие структурные изменения повлияют на общую деформацию малогабаритных мягких роботов. Как показано на рис. 3A и видеоролик S2, мы переносим и собираем намагниченные шаблоны NdFeB один за другим на двустороннюю ленту и демонстрируем массовое производство программируемых магнитных мягких роботов с использованием рулонного производства. Различные намагниченные модели NdFeB закреплены на разных роликах в соответствии с формой и профилями намагничивания мягких роботов. Например, намагниченные прямоугольные шаблоны NdFeB с разными направлениями сначала равномерно распределяются на двух лентах PEI в взаимодополняющей форме (рис. 3B).После двух последовательных перемещений с помощью изготовленного на заказ рулонного устройства магнитные мягкие роботы с пространственным рисунком могут быть воспроизведены с высокой производительностью (рис. 3C и ролик S2). Мы считаем, что более совершенное устройство типа "рулон-рулон" может быть спроектировано и оптимизировано для производства сложных программируемых мягких роботов, состоящих из десятков моделей NdFeB за один процесс.

(А) Принципиальная схема процесса сборки с использованием технологии roll-to-roll. (B) Намагниченные шаблоны NdFeB, закрепленные на ролике. (C) Собранные мягкие роботы с высокой воспроизводимостью. Спроектированные формы с распределенным намагничиванием, оптические изображения до и после магнитного стимула и результаты моделирования деформации мягких роботов с 2D геометрией, изготовленных с помощью (D-F) однородного узла намагничивания и (G-I) неравномерного узла намагничивания. [Вставные изображения представляют собой изображения намагниченных структур NdFeB с помощью магнитооптического микроскопа. Шкала, 1,0 см; цветные полосы, диапазон “максимальная основная деформация (логарифмическая деформация)”].

Сборка шаблонов NdFeB также может быть легко выполнена вручную (рис. S11 и видеоролик S2). Мягкий робот с указаниями намагничивания (черные стрелки), напечатанный на бумаге формата А4, приклеен к нижней части двусторонней ленты (рис. S11). Затем мягкие роботы получают путем резки вдоль их профилей. Во всех этих процессах не требуется никакого этапа подключения. На рисунке 3 (B-G) показаны мягкие роботы с 2D геометрией и изменениями их формы {оптические изображения и результаты моделирования [эти симуляции выполняются с использованием подпрограммы пользовательского элемента (UEL) в ABAQUS (8, 46)]}. Магнитное поле, создаваемое магнитом, используется для индуцирования деформации собранных мягких роботов (рис. S12). Для подавления влияния магнитной силы применяется большой дискообразный магнит диаметром 8 см для минимизации градиента магнитного поля (47). Тридцать одинаковых прямоугольных шаблонов NdFeB с намагничиванием в плоскости собираются для формирования многоногого робота, который приводится в действие внешним магнитным полем, которое заставляет ноги сжиматься (рис. 3B и ролик S3). Аналогичным образом, 72 идентичных треугольных шаблона NdFeB с намагничиванием в плоскости собраны для повышения способности к деформации за счет использования конструкции киригами (рис. 3C). Образцы NdFeB частично разделяются путем разрезания ленты по синим пунктирным линиям. При стимуляции магнитным полем все обращенные назад треугольные структуры NdFeB сближаются друг с другом, образуя сложную трехмерную деформацию (рис. 3C и ролик S3). Как типичная деформация внеплоскостных намагничиваний, собранный мягкий робот, изготовленный по 16 шаблонам NdFeB с четырьмя внеплоскостными намагничиваниями, может превратиться в многогранник (Рис. 3D и ролик S3). В дополнение к узлу равномерного намагничивания, описанному выше, узел неравномерного намагничивания был легко достигнут для создания более сложных деформационных форм с множеством изогнутых структур. Двенадцать идентичных прямоугольных образцов NdFeB с S-образной деформацией собраны для формирования структуры метаматериала, которая может расширяться и сжиматься как в длину, так и в ширину одновременно и обеспечивает многофункциональное применение (рис. 3E и видеоролик S3). Также построены структуры цветущей хризантемы и Dendrophylax lindenii (фиг.3, F и G), который можно использовать для изучения и использования поведения растений. Шестьдесят моделей NdFeB в форме лепестков разных размеров с дугообразной деформацией собраны, чтобы имитировать структуру цветущей хризантемы (рис. 3F и ролик S3). Эти лепестки могут поворачиваться одновременно и быстро при движении внешнего магнита, что позволяет имитировать функцию ресничек для перекачки и смешивания биологических жидкостей. D. lindenii собран из шести дугообразных структур и двух спиральных структур, созданных восемью простыми шаблонами NdFeB (рис. 3G и видео S3). Эти узоры отделены от плоской структуры D. lindenii. Все приведенные выше примеры демонстрируют универсальность нашего метода создания мягких роботов с широким диапазоном однородных и неоднородных профилей намагничивания и 2D-геометрий. Подробные процессы сборки представлены на рис. S11. Эти результаты моделирования на рис. 3 (B - G) достаточно близки к фактической деформации мягких роботов. Мы объясняем небольшие различия между моделированием и экспериментом следующими тремя факторами: (i) пространственно неоднородное магнитное поле в экспериментах, (ii) ручной процесс сборки и (iii) несовершенные и прерывистые профили намагниченности в моделируемых моделях (см. Более подробное обсуждение в тексте S1).

Процесс сборки и структурные изменения мягких роботов с 3D геометрией

Мягкие роботы с 3D-геометрией также могут быть сконструированы с использованием липкости двухсторонней ленты. Два конца плоских конструкций прочно скреплены вместе, образуя трехмерные конструкции, которые невозможно разорвать, даже если они нагружены предметами, в тысячи раз превышающими их вес (рис. S13). На рис. 4 показаны две столбчатые структуры (A и C). Столбчатая структура с 24 квадратными намагниченными узорами NdFeB (равномерное намагничивание) превращается в структуру в форме эпсилона при стимуляции магнитным полем (рис. 4А и ролик S3). Столбчатая структура с шестью прямоугольными намагниченными узорами NdFeB (неравномерное намагничивание) и 12 квадратными намагниченными узорами NdFeB (равномерное намагничивание) либо сжимается, либо расширяется в радиальном направлении под воздействием внешнего магнитного поля (рис. 4C и ролик S3). Аналогичное структурное изменение было успешно применено при доставке капсул и лекарств (48, 49). Кроме того, более сложные мягкие 3D-роботы создаются путем склеивания простых 3D-конструкций с помощью самоклеящихся материалов. Как показано на рис.4B, 16 квадратных намагниченных рисунков NdFeB (равномерное намагничивание) сначала распределяются в прямоугольных полосах двусторонней ленты. Затем два конца прямоугольных полос соединяются вместе, образуя простую конструкцию гантели. Затем три из этих гантельных конструкций соединяются бок о бок, образуя мягкого робота 3D. После стимуляции внешним магнитным полем робот складывается и меняет форму, превращаясь в другую трехмерную структуру. Аналогичным образом, четыре прямоугольных образца NdFeB с равномерным и неравномерным намагничиванием сначала собираются, складываются и соединяются, образуя простые треугольные призматические структуры.Шесть треугольных призматических структур также плотно соединены вместе, образуя сложную структуру из метаматериала (рис. 4D). После последовательной стимуляции противоположного магнитного поля одновременно происходят непрерывные и резкие структурные изменения. Структура метаматериала, по-видимому, сжимается и демонстрирует искусные структурные изменения. Даже после многих циклов стимуляции форма и деформация структуры метаматериала остаются стабильными, что дополнительно демонстрирует превосходную липкость двусторонней ленты. Следовательно, предложенный нами метод позволяет легко добиться равномерной и неравномерной сборки намагничивания для программируемых мягких роботов с 2D и 3D геометриями.

Рис. 4. Мягкие роботы с равномерным и неравномерным намагничиванием в сборе и 3D-геометрией.

Разработанные формы с распределенным намагничиванием, процессы склеивания, оптические изображения до и после магнитного стимула и результаты моделирования деформации мягких роботов с 3D-геометрией, изготовленных (A и B) сборкой с дискретным намагничиванием и (C и D) сборкой со смешанным намагничиванием. [Масштабные полосы, 1 см; цветные полосы, диапазон максимальной основной деформации (логарифмическая деформация)].

Многомодульная интеграция

Мы также добиваемся совместимой интеграции функциональных модулей (модулей измерения температуры, модулей измерения ультрафиолетового излучения, модуля измерения pH, модуля схемы, модуля позиционирования и модуля определения масла) в области многоногого мягкого робота, которые не заняты микрочастицами NdFeB (рис. 5А). Эти участки обладают прочной липкостью благодаря наличию клейкой ленты. Учитывая бесшовную интеграцию и возможность замены всех функциональных модулей, материалы, чувствительные к температуре и ультрафиолетовому излучению (power), сначала встраиваются в одну сторону двухсторонней ленты, а модуль определения pH и модуль определения масла (PDMS foam) придают липкость за счет нанесения слоя распыляемого клея (рис. S14). В частности, модули схем (медная токопроводящая лента) и модули позиционирования (RFID) в качестве коммерческих продуктов имеют слой клейкой наклейки. На рисунке 5B показаны оптические изображения этих функциональных модулей. Таким образом, эти функциональные модули могут быть легко интегрированы в мягкие роботы за счет тесного взаимодействия самоклеящихся функциональных модулей и мягких роботов совместимым образом.

Рис. 5. Несколько применений робота MFMLS.

(A) Принципиальная схема робота MFMLS с функциональными модулями (схема, позиционирование, обнаружение масла, измерение температуры, УФ-излучение и рН) и их реакция на различные раздражители. N, Север; S, Юг. (Б) Оптические изображения всех функциональных модулей. (C) Разнонаправленное измерение температуры робота MFMLS. (D) Разнонаправленное восприятие ультрафиолетового света роботом MFMLS. (E) Мультимодальное движение для тестирования качества воды робота MFMLS: (1) передвижение по воде и определение рН, (2) погружение и ползание в воде и адсорбция масла и (3) всплывание на поверхность воды (вставленное изображение - вид снизу робота MFMLS). (F) Процесс замены модуля удаления масла (PDMS foam) после адсорбции масла.

Далее мы демонстрируем потенциальные области применения многофункционального многоногого мягкого робота (MFMLS). Робот MFMLS гибко приводится в действие с помощью кубовидного магнита (длина: 40 мм; ширина: 40 мм; высота: 25 мм) и способен к мультимодальному передвижению, которое включает в себя ползание, передвижение и погружение (рис. S15). Для ползания по сухой поверхности (рис. S15A) робот MFMLS будет воспринимать окружающую среду (рис. 5, C и D). Когда робот MFMLS приближается к зоне нагрева (65 ° C), ближайшие модули измерения температуры (35 ° C) изменят свой цвет со светло-синего на темно-синий (синие стрелки, рис. 5C и фильм S4). Затем ближайшие модули измерения температуры (65 ° C) меняют свой цвет со светло-фиолетового на темно-фиолетовый, когда он впервые касается зоны нагрева (фиолетовые стрелки, рис. 5C и фильм S4). Когда весь робот MFMLS попадает в зону нагрева, все модули измерения температуры меняют свой цвет. Таким образом, мы получаем информацию о температуре окружающей среды из цветовой обратной связи робота, чтобы определить следующее поведение робота MFMLS или судить, безопасно это или нет. Для улучшения пространственного разрешения и точности измерения модули измерения температуры равномерно распределены на каждой ноге для достижения разнонаправленного измерения температуры (рис. 5, А и В). Аналогичным образом, модули, чувствительные к ультрафиолетовому излучению, также равномерно распределены на каждой ножке для достижения разнонаправленного восприятия ультрафиолетового излучения. Когда робот MFMLS сталкивается с ультрафиолетовым излучением, соответствующие модули быстро меняют свой цвет с белого на зеленый (рис. 5D и ролик S4).

Робот MFMLS также может использоваться для определения качества воды за счет соединения с его мультимодальным движением. Благодаря своему весу, большой площади контакта с водой и гидрофобности двусторонней ленты (рис. S16), робот MFMLS может плавать и быстро перемещаться по воде, когда приводится в действие движущимся магнитом [Рис. 5E (1), рис. S15B и фильм S6]. Достигнув зоны мониторинга, мы оцениваем значение pH (pH> 7) воды в соответствии с изменением цвета (от желтого до коричневого) модулей, измеряющих pH. По мере деформации робота MFMLS гидрофильные модули измерения pH адсорбируют воду для определения ее значения pH. Робот MFMLS также может погружаться в воду, когда его приводят в действие снизу с помощью магнита [Рис. 5E(2) и рис. S15C]. При приближении магнита робот MFMLS сжимает свое тело, чтобы уменьшить площадь контакта с водой. Между тем, магнит обеспечивает тяговое усилие, направленное вниз, которое преодолевает плавучесть робота MFMLS (его корпус и пена PDMS) для обеспечения возможности погружения (фильм S6). Пена PDMS является гидрофобной и липофильной (рис. S15). После достижения дна робот MFMLS переходит на ползучую походку и перемещается в зону мониторинга. Прикладывая противоположную магнитную силу, модуль датчика масла прижимается к зоне контроля для плотного контакта с адсорбирующим маслом [Рис. 5E(2), фиг. S14E и фильм S6]. После этого робот MFMLS управляется так, чтобы он всплывал со дна на поверхность воды, не погружаясь [рис. 5E (3) и фиг. S15D]. Робот MFMLS извлекается для наблюдения за тем, есть ли воздействие масла в зоне мониторинга [вставное изображение на рис. 5E (3)]. После использования модули определения уровня pH и масла легко снимаются и заменяются новыми для дальнейшего использования. На рисунке 5F показан процесс замены модуля обнаружения масла (PDMS foam). Пена PDMS полностью удаляется с робота MFMLS, и никаких видимых остатков не наблюдается благодаря возможности повторного использования клейкой наклейки (изображения вставки на рис. 5F). Таким образом, новая пена PDMS может быть плотно интегрирована в робот MFMLS для проведения другого теста для измерения присутствия масла. Модуль определения pH также может быть заменен с использованием того же процесса.

Ремонт цепей в узком и непрозрачном пространстве

Внедрение модульных блоков для функционирования и ремонта схем представляет собой еще один многообещающий вариант использования магнитомягких роботов (50, 51).Здесь мы используем коммерческую RFID-метку для расширения возможностей робота MFMLS. RFID-метка встроена в центр робота MFMLS, а модуль схемы прикреплен к его центру. Мы предполагаем, что точка отказа (разомкнутая цепь) в непрозрачном канале может быть обнаружена металлическим дефектоскопом. Таким образом, считыватель RFID расположен в нижней части канала таким образом, что он обращен к точке отказа в канале. При совместном действии модуля позиционирования, модуля схемы и MFMLS robot locomotion мы реализуем временное подключение к цепи в точке отказа в труднодоступной области для решения аварийных ситуаций (рис. 6А). Из-за небольшой высоты робота MFMLS с магнитным приводом и его превосходных возможностей передвижения робот MFMLS может легко войти в узкий канал и приблизиться к точке отказа (рис. 6, В и С, и фиг. S17). В процессе подхода мы используем значение индикатора уровня принятого сигнала (RSSI), полученное от считывателя RFID, чтобы определить, находится ли модуль схемы ниже точки отказа (рис. 6B). Значение RSSI сначала увеличивается, а затем уменьшается до минимального значения (-42,0 дБм), которое используется для определения центра робота (рис. 6, D и E). Если значение RSSI превышает -42,0 дБм, то робот MFMLS приводится в действие для продолжения движения вперед. Если значение RSSI равно -42,0 дБм, то положение робота MFMLS слегка корректируется, чтобы наблюдать, постепенно ли изменяется значение RSSI. Если это изменится, робот должен продолжать двигаться вперед. Повторяя этот процесс, если значение RSSI (-42,0 дБм) остается постоянным (красная пунктирная рамка на фиг. 6E), тогда мы приходим к выводу, что центр робота MFMLS находится непосредственно под точкой отказа. После более сильного магнитного воздействия робот MFMLS плотно прижимается к месту повреждения, чтобы гарантировать тесный контакт между модулями схемы и местом повреждения, тем самым восстанавливая соединение цепи. Об этом свидетельствует повторная активация светодиода (LED), который снова загорается при подключении (рис. 6D и ролик S5).Хотя предыдущие работы продемонстрировали возможность использования мягких роботов для ремонта соединений в цепях, эти реализации требовали ручного позиционирования путем визуального контроля невооруженным глазом (48). Поскольку эти реализации требуют прямой видимости, точка отказа не может быть замечена в случае непрозрачного канала или наличия закупорок. Здесь RFID действует как “глаз”, помогая пользователю определить положение точки отказа. Роботом MFMLS также можно управлять, чтобы он выходил из узкого канала. Как и прежде, наблюдается, что значение RSSI сначала увеличивается, а затем уменьшается (рис. 6E). В качестве альтернативы, модуль схемы также может быть заменен жидким металлом и проводящей серебряной пастой для обеспечения постоянного подключения цепи. Однако такие материалы могут размазываться по роботу MFMLS и покрывать другие контактирующие поверхности во время передвижения.

Рис. 6. Процесс ремонта цепи в узком и труднодоступном пространстве.

(А) Соединение точки отказа в труднодоступной области путем совместного действия модуля передвижения робота, модуля схемы и модуля позиционирования (вставленные изображения представляют собой внутреннюю структуру области и принцип позиционирования). (Б) Логический процесс определения положения робота MFMLS по значению RSSI. (C) Процесс входа и приближения робота MFMLS к точке отказа. (D) Процесс подключения и выхода точки отказа. (E) Значение RSSI в реальном времени, записанное считывателем RFID (красный пунктир указывает, что центр робота находится ниже точки отказа).

Перенос терапевтического пластыря в желудок

Мы продолжаем исследовать биомедицинское применение модульного магнитного мягкого робота. Поскольку он способен к мультимодальному передвижению, доставке грузов и выдерживает воздействие кислоты, мягкий робот хорошо подходит для биомедицинских применений, связанных с операциями на желудке, такими как лечение язвы желудка. Более 10% людей во всем мире страдают от язв желудка с высокой заболеваемостью (52, 53). В настоящее время распространенным методом лечения для снижения заболеваемости является медикаментозная терапия эффективными кислотными супрессантами (53). Однако длительное применение нестероидных противовоспалительных препаратов может привести к опасному для жизни желудочному кровотечению (54). Технологии нанесения покрытий, используемые при гастроскопии, широко изучены для лечения язв (55). Такой подход может остановить кровотечение, оттолкнуть желудочные жидкости, способствовать регенерации тканей и противостоять биологическому обрастанию и воспалению. Тем не менее, традиционная гастроскопия сопряжена с риском ряда осложнений и снижает комплаентность пациента (53). Был разработан беспроводной капсульный эндоскоп для исследования желудочно-кишечного тракта с безболезненной процедурой и более высокой безопасностью, но другие функции, такие как эндоскопическая хирургия для нанесения пластыря, не могут быть расширены (56). Таким образом, мы предлагаем использовать небольшой автономный мягкий робот для замены хирургического степлера для нанесения терапевтического пластыря на язву желудка ex vivo. Мы ожидаем, что комбинация мягкого робота и капсульного эндоскопа станет идеальным инструментом для безболезненного лечения желудочно-кишечных язв в будущем. По сравнению с другими мягкими роботами (в частности, мягкими роботами с газовым двигателем), предлагаемый нами мягкий робот не привязан и приводится в действие магнитными полями по беспроводной сети для достижения нескольких режимов работы. Эти режимы приведения в действие не только могут использоваться синергически для преодоления сложного рельефа в желудке, чтобы достичь целевого участка, но также могут защитить терапевтическую пленку и перенести ее на язву.

Мягкий робот изготовлен путем встраивания намагниченных рисунков NdFeB (размер NdFeB: 150,0 мкм) в две стороны двухсторонней ленты (толщина: 0,1 мм) (рис. 7А). Более крупные частицы NdFeB обеспечивают более сильную магнитную силу, чтобы противостоять адгезии слизистой оболочки желудка и двигаться гибко. Мы измерили площадную массовую плотность микрочастиц NdFeB (масса микрочастиц NdFeB, нанесенных на квадратный сантиметр ленты) с различными средними размерами 38,0, 75,0 и 150,0 мкм и составили 6,837, 7,991 и 9,791 мг / см2 соответственно. Плотность поверхностной массы увеличивается с увеличением размеров частиц NdFeB. При тех же условиях намагничивания большая масса частиц NdFeB будет создавать более сильную магнитную силу (подробнее см. Обсуждение в тексте S2). Между тем, более толстая двусторонняя лента также уменьшает адгезию слизистой оболочки желудка. Растворимая лента используется в качестве защитного слоя для временной фиксации терапевтического пластыря. Терапевтический пластырь представляет собой кусок целлюлозной пленки, содержащей лекарства, используемые для лечения язв желудка. Из-за более тонкой толщины терапевтического пластыря его можно плотно прикрепить к растворимой ленте. Однако растворимая лента с низкой липкостью легко отваливается во время передвижения, если она наклеена непосредственно на мягкого робота. Таким образом, эти области без частиц NdFeB зарезервированы для плотного приклеивания растворимой ленты, учитывая превосходную липкость клейкой наклейки (лицевая сторона мягкого робота на рис. 7А).

Рис. 7. Перенос терапевтического пластыря мягким роботом в желудок.

(А) задняя и передняя стороны мягкого робота. (Б) Пять в основном деформированных конструкций мягкого робота, управляемых магнитом. (C) Шесть режимов работы мягкого робота в желудке. (D) Полный процесс покрытия язвы желудка терапевтическим пластырем с помощью мягкого робота. (E) процесс передачи (этапы I, II и III) и (F) процесс возврата (этапы IV, V и VI) мягкого робота. (G) Принципиальная схема комбинации мягкого робота и эндоскопа. (H) Мультимодальное приведение в действие под наблюдением эндоскопа. (Шкала, 1 см)

Мягкий робот в основном имеет пять видов деформированных конструкций (оригинальные, О-образные, М-образные, W-образные и полукруглые конструкции) (рис. 7B). Эти деформации и приведение в действие мягких роботов достигаются ручным управлением магнитом. О-образная деформация достигается вращением магнита на один круговой оборот вдоль его горизонтальной оси в нижней части мягкого робота. М-образная деформация достигается путем размещения магнита с S-полюсом вверх, чтобы приблизиться к мягкому роботу снизу. W-образная деформация достигается путем размещения магнита N-полюсом вверх при приближении к мягкому роботу снизу. Полукруглая деформация достигается вращением магнита на половину оборота вдоль его горизонтальной оси в нижней части мягкого робота, а затем приближением к мягкому роботу.Используя эти пять конструкций, мы добились шести режимов работы мягких роботов на свежем свином желудке, заполненном слизистой оболочкой, включая скручивание, скручивание, разворачивание, подъем, переворачивание и скольжение (рис. 7C, ролик S7 и фиг. S18). В процессе скручивания и скручивания терапевтический пластырь оборачивается в середине мягкого робота, чтобы уменьшить влияние желудочных жидкостей. Когда мягкий робот не может пройти желудочную складку, перекатываясь, он разворачивается сам, а затем поднимается через складку, чередуя W-образные и М-образные деформации. Терапевтический пластырь предпочитает поворачиваться лицевой стороной вверх после разворачивания из-за остаточного напряжения в О-образных структурах, что позволяет избежать прямого контакта терапевтического пластыря со слизистой оболочкой и уменьшает влияние желудочных жидкостей. В процессе переворачивания мягкий робот сначала превращается в частично изогнутую конструкцию, чтобы обеспечить высокий процент успеха. Кроме того, конструкция мягкого робота быстро настраивается на W-образную форму после переворачивания, которая также поддерживается во время скольжения, чтобы не допустить попадания терапевтического пластыря на слизистую оболочку. Как показано на рис. 7D, мультимодальная локомоция позволяет успешно переносить и наносить терапевтический пластырь на язву желудка, а также возвращать мягкого робота после выполнения задачи (рис. 7D).На рисунке 7 (E и F) показан процесс передачи и возврата, соответственно. Все эти процессы разделены на шесть этапов и достигаются сочетанием различных режимов приведения в действие. Подробные этапы приведения в действие каждого этапа можно найти на рис. С19.

Когда мягкий робот достигает язвы желудка в процессе переноса, растворимая лента полностью растворяется в слизистой оболочке желудка, высвобождая терапевтический пластырь. Вставное изображение фиг. На рис. 7F четко видно, что язва желудка на складке желудка полностью закрыта терапевтическим пластырем. Учитывая, что капсульным эндоскопом невозможно точно управлять для отслеживания движения мягкого робота, мы демонстрируем концепцию сочетания робота и эндоскопа с помощью ультратонкого проводного эндоскопа (диаметр: 3,9 мм). Желудок свиньи расширяется путем выдувания воздуха для формирования реальных 3D-структур (рис. 7G). Под наблюдением эндоскопа мы также обнаружили язву желудка и отслеживали мягкого робота (рис. 7H). Терапевтический пластырь также успешно помещается на поверхность язвы желудка. Мы считаем, что благодаря инновациям в капсульной эндоскопии для визуализации и отслеживания в реальном времени существуют дополнительные возможности для улучшения применения магнитных мягких роботов для минимально инвазивных методов лечения и терапии.

Обсуждение

Создание интеллектуальных мягких роботов с магнитным приводом, программируемым изменением формы, мультимодальной локомоцией и множеством функций имеет потенциал для расширенного применения мягких роботов в самых разных областях науки и техники. Программирование дискретного и непрерывного намагничивания и внедрение функциональных модулей в мягкие роботы имеют решающее значение. Хотя некоторые усилия были направлены на разработку многофункциональных мягких роботов, нерешенные проблемы, связанные с ограниченным намагничиванием сборки, сложной эксплуатацией, дополнительными шагами соединения и легким расслоением, ограничили их дальнейшие инновации.

Мы напрямую и плавно внедряем намагниченные узоры, состоящие из микрочастиц NdFeB, в сеть клейких наклеек для изготовления мягких роботов с программируемыми профилями намагничивания (равномерными и неоднородными) с 2D или 3D геометрией. Эти мягкие роботы разной толщины демонстрируют ловкие структурные изменения. Кроме того, некоторые области без магнитного отклика выборочно зарезервированы для внедрения функциональных модулей. Мы интегрировали различные функциональные модули с различными свойствами и формами материалов (частицы, бумага, пленки, пенопласт, электрические цепи и электронные компоненты) в мягкие роботы, чтобы исследовать их мультимодальные движения и применения в зондировании окружающей среды (температура и ультрафиолетовое излучение) и обнаружении (рН и разлив масла), позиционировании, ремонте цепей,и покрытие для лечения язв желудка. Все эти процессы сборки (модели NdFeB и функциональные модули) просты и не требуют дополнительного этапа подключения. Между тем, все функциональные модули не расслаиваются самопроизвольно, если только их не отслаивают принудительно для замены. Предлагаемая стратегия упрощает изготовление многофункциональных мягких роботов и обеспечивает большую свободу в назначении профилей намагничивания, а также расширяет диапазон возможностей для интеграции функций. Мы считаем, что это вдохновит и позволит создавать более интеллектуальные мягкие роботы со специализированными функциями, улучшенной адаптивностью к окружающей среде и быстрой итеративной обратной связью.

В этой работе мы демонстрируем концепцию функциональной интеграции с использованием некоторых базовых модулей. Для реализации дальнейшего интеллекта мягких роботов широкий спектр электронных компонентов и беспроводных систем с высокой производительностью может предоставить множество возможностей для функциональной интеграции (50, 51, 57). Потенциальные электронные компоненты включают кремниевый инфракрасный светодиод, дополнительные металлоксидные полупроводниковые транзисторы, УФ-датчики, датчики температуры и микросуперконденсаторы; эти беспроводные системы включают в себя катушки приемника энергии, катушки индуктивности, ближнюю связь, RFID и так далее. Мы ожидаем, что несколько электронных компонентов и беспроводных систем могут быть рационально спроектированы и собраны на мягких роботах с магнитным приводом для совместной работы для многофункциональных приложений, автономного поведения или конкретных задач. В будущем может быть разработан полностью автономный миниатюрный робот, спроектированный системой (58). Некоторые модули, которым нельзя придать липкости, испытывают трудности с интеграцией в мягкие роботы. Например, материалы на основе гидрогеля, которые являются важными материалами для биомедицинских применений, трудно интегрировать непосредственно в мягкие роботы. Между тем, общая архитектура функциональных мягких роботов, изготовленных с использованием предложенного нами подхода, является модульной, но ее может быть сложно уменьшить, когда мягкие роботы меньшего размера необходимы для биомедицинских применений в просветах человеческого тела, таких как мочеполовая система, желудочно-кишечный тракт, слуховой проход, носовая полость и т.д. Поскольку точность изготовления моделей из NdFeB составляет около 50 мкм, размер собранных мягких роботов будет не менее 100 мкм при сборке только двух моделей. Внедрение технологии изготовления на кристалле и технологии свертывания может быть хорошим выбором для решения проблемы (57). Уменьшенный размер мягких роботов также ставит новые задачи по точной модульной интеграции и контуру резки мягких роботов. Для преодоления этих проблем необходимо изучить существующие или новые технологии.

Кроме того, когда несколько идентичных роботов находятся в одном и том же магнитном поле, невозможно одновременно управлять более чем одним роботом. Однако мягкие роботы с различными профилями намагничивания и геометрией могут демонстрировать различные деформации и поведение при передвижении в ответ на одно и то же магнитное поле. Для того, чтобы мягкие роботы выполняли свои функции индивидуально, необходим рациональный дизайн профилей и геометрий намагничивания. Программируемость профилей намагничивания в мягких роботах может предоставить им больше возможностей с точки зрения режимов их деформации и соответствующих применений. Однако профили намагничивания мягких роботов, изготовленных с использованием предложенного нами подхода, являются фиксированными, что ограничивает их функции. Потенциально это можно решить путем локального изменения физических свойств клейких наклеек и дальнейшей перестройки профилей намагничивания.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Изготовление шаблонов из NdFeB

Сначала на ленту PEI наносится восковой рисунок, дополняющий рисунки NdFeB. Восковой рисунок можно распознать как маску. Затем на ленту PEI добавляются микрочастицы NdFeB с различными средними размерами 38,0, 75,0 и 150,0 мкм. После нажатия часть микрочастиц NdFeB прилипает к участку ленты PEI без воска, а свободные микрочастицы NdFeB легко удаляются. Затем лента PEI с микрочастицами NdFeB погружается в раствор этилацетата на 5 минут. После легкого встряхивания восковой узор сойдет с ленты PEI, и на ленте PEI сформируются узоры NdFeB.

Изготовление намагниченных моделей NdFeB

В соответствии с требованиями к деформации мягких роботов, приводимых в действие магнитными полями, 2D-плоские формы и 3D-структуры мягких роботов сначала разделяются на отдельные модели NdFeB. Затем эти шаблоны NdFeB изготавливаются и намагничиваются намагничивателем (MA 2030, Shenzhen Jiuju Industrial Equipment Co. Ltd.) для получения программируемой намагниченности. Для равномерного намагничивания (в плоскости и вне плоскости намагничивания) пленка NdFeB / PEI с одинаковыми рисунками NdFeB наклеивается непосредственно на предметное стекло или шаблон по его длинному краю (в зависимости от липкости ленты PEI), а затем фиксируется на намагничивателе. Регулируя высоту и угол пересечения между шаблонами NdFeB и катушкой индуктивности, после намагничивания достигается равномерное намагничивание. Высота и угол пересечения определяют силу и направление магнитного поля в шаблонах NdFeB. Для неравномерного намагничивания пленка NdFeB / PEI с одинаковыми или одиночными рисунками NdFeB наклеивается на 3D-печатный шаблон вдоль его изогнутой структуры для завершения намагничивания.

Изготовление программируемых магнитных мягких роботов

Программируемые магнитные мягкие роботы могут быть изготовлены с массовым производством и высокой воспроизводимостью с использованием технологии roll-to-roll. Намагниченные шаблоны NdFeB с различными профилями намагничивания сначала закрепляются на ленте PEI, а затем наматываются на разные ролики в соответствии с формой и положением отдельных профилей намагничивания мягких роботов. После этого один из изготовленных роликов устанавливается на самодельное устройство для раскатки рулонов, чтобы добиться переноса намагниченных рисунков NdFeB в определенное положение двусторонней ленты. Повторяя процесс, намагниченные шаблоны NdFeB могут быть собраны один за другим на одну и ту же двустороннюю ленту для формирования соответствующих программируемых мягких роботов.

Программируемые магнитные мягкие роботы также могут быть изготовлены вручную. Плоские формы этих мягких роботов сначала разрабатываются с помощью программного обеспечения для рисования, а затем печатаются на бумаге формата А4. Затем на напечатанные плоские фигуры наклеивается кусок двухсторонней ленты. После этого намагниченные шаблоны NdFeB с различными профилями намагничивания собираются на двустороннюю ленту один за другим. Напечатанные плоские формы используются для обеспечения точности сборки. В этом процессе шаблоны NdFeB должны быть плотно прижаты и поцарапаны, чтобы обеспечить успешный перенос микрочастиц NdFeB в сеть из двухсторонней ленты. Наконец, собранные магнитные мягкие роботы получаются путем вырезания по контуру плоских фигур, а затем отрываются от бумаги формата А4.

Моделирование деформаций

Деформация магнитного мягкого робота в статическом магнитном поле проводилась с использованием UEL в ABAQUS. Моделирование включает в себя следующие параметры: модуль сдвига μ, напряженность внешнего магнитного поля B и остаточную плотность материала M. Мы разделяем всю конструкцию на магнитные и немагнитные области в соответствии с распределением магнитных модулей. Модули сдвига для магнитной и немагнитной секций составляют 156 и 126 кПа соответственно. Мы охарактеризовали модуль, используя систему тестирования материалов Tinius Olsen H5KS. Предполагается, что материалы в моделировании являются несжимаемыми и соответствуют нео-хуковской модели материалов. Остаточные значения магнитной и немагнитной областей установлены равными 73,7 и 0 кА / м соответственно. Учитывая возможную асимметрию напряжения Коши, вызванную крутящими моментами магнитного тела, для обработки девяти компонентов тензора напряжений Коши используются индивидуальные кирпичные элементы с восемью узлами.

Изготовление функциональных модулей

Модули измерения температуры и УФ-излучения изготавливаются путем включения коммерчески доступных датчиков температуры и УФ-порошка, чувствительных к ультрафиолетовому излучению, в самоклеящуюся сетку из двухсторонней ленты толщиной 30 мкм и последующей резки на множество прямоугольных или пятиугольных форм. Питание легко подключается к сети и наносится на поверхность двусторонней ленты. Модули измерения pH изготавливаются путем распыления слоя самоклеящегося материала на бумагу для определения pH, а затем разрезания ее на множество небольших прямоугольных форм.

Датчики масла (PDMS foam) изготавливаются эмульсионным методом. Десять граммов форполимера PDMS сначала тщательно смешивают с отвердителем в соотношении 10:1 по массе. Затем в смесь при интенсивном перемешивании добавляют 12 г парафинового масла. Затем при непрерывном перемешивании в течение 30 минут по каплям добавляют 75 г дистиллированной воды для образования эмульсии PDMS-вода. Затем эмульсию разливают в стеклянные куски и нагревают при 70 ° C в течение 2 часов для проведения полимеризации. Полимеризованная пена PDMS отделяется от разнесенных кусочков стекла, а затем промывается этанолом для удаления парафинового масла. Чистая пена PDMS получается после нагревания при 70 °C в течение 6 часов для удаления остатков этанола. Наконец, пенопласт PDMS разрезается на маленькие круглые кусочки и наносится слой самоклеящегося материала.

Источник https://www.science.org