Magnetische Roboter gehen, kriechen und schwimmen

Motion Design INSIDER

Neue Roboter mit weichem Körper, die durch ein einfaches Magnetfeld gesteuert werden können, eignen sich gut für Arbeiten auf engstem Raum. Die aus gummiartigen Magnetspiralen geformten Roboter können zum Gehen, Kriechen und Schwimmen programmiert werden – alles als Reaktion auf ein einfaches, leicht anzuwendendes Magnetfeld.

„Dies ist das erste Mal, dass dies getan wurde, um die dreidimensionale Fortbewegung von Robotern mit einem eindimensionalen Magnetfeld steuern zu können“, sagt Professorin Polina Anikeeva, deren Team am 3. Juni einen Open-Access-Artikel über die magnetischen Roboter veröffentlichte in der Zeitschrift Advanced Materials. „Und weil sie überwiegend aus Polymeren bestehen und Polymere weich sind, braucht man kein sehr großes Magnetfeld, um sie zu aktivieren. Es ist ein wirklich kleines Magnetfeld, das diese Roboter antreibt“, fügte Anikeeva hinzu, Professorin für Materialwissenschaften und -technik sowie Gehirn- und Kognitionswissenschaften am MIT, stellvertretende Forscherin am McGovern Institute for Brain Research und stellvertretende Forschungsdirektorin des MIT Labor für Elektronik und Direktor des K. Lisa Yang Brain-Body Center des MIT.

Die neuen Roboter eignen sich gut für den Transport von Fracht durch enge Räume und ihre Gummikörper schonen empfindliche Umgebungen, was die Möglichkeit eröffnet, die Technologie für biomedizinische Anwendungen zu entwickeln. Anikeeva und ihr Team haben ihre Roboter auf Millimeterlänge gebracht, aber sie sagt, dass der gleiche Ansatz auch für die Produktion viel kleinerer Roboter genutzt werden könnte.

Anikeeva sagt, dass sich Magnetroboter bisher als Reaktion auf sich bewegende Magnetfelder bewegten. Sie erklärt für diese Modelle: „Wenn Sie möchten, dass Ihr Roboter läuft, geht Ihr Magnet mit. Wenn Sie möchten, dass es sich dreht, drehen Sie Ihren Magneten.“ Das schränkt die Einsatzmöglichkeiten solcher Roboter ein. „Wenn Sie versuchen, in einer sehr beengten Umgebung zu arbeiten, ist ein beweglicher Magnet möglicherweise nicht die sicherste Lösung. „Man möchte ein stationäres Instrument haben, das einfach ein Magnetfeld auf die gesamte Probe anlegt“, erklärte sie.

Youngbin Lee PhD '22, ein ehemaliger Doktorand in Anikeevas Labor, hat eine Lösung für dieses Problem entwickelt. Die von ihm entwickelten Roboter sind nicht gleichmäßig magnetisiert. Stattdessen werden sie strategisch in verschiedenen Zonen und Richtungen magnetisiert, sodass ein einziges Magnetfeld ein bewegungstreibendes Profil magnetischer Kräfte ermöglichen kann.

Bevor sie jedoch magnetisiert werden, müssen die flexiblen, leichten Körper der Roboter hergestellt werden. Lee beginnt diesen Prozess mit zwei Arten von Gummi, jede mit unterschiedlicher Steifigkeit. Diese werden zusammengelegt, dann erhitzt und zu einer langen, dünnen Faser gedehnt. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Materialien behält einer der Gummis durch diesen Dehnvorgang seine Elastizität, der andere verformt sich jedoch und kann nicht in seine ursprüngliche Größe zurückkehren. Wenn also die Spannung nachlässt, zieht sich eine Schicht der Faser zusammen, zieht an der anderen Seite und zieht das Ganze zu einer festen Rolle zusammen. Anikeeva sagt, die spiralförmige Faser sei den gewundenen Ranken einer Gurkenpflanze nachempfunden, die sich spiralförmig drehen, wenn eine Zellschicht Wasser verliert und sich schneller zusammenzieht als eine zweite Schicht.

Ein drittes Material – eines, dessen Partikel das Potenzial haben, magnetisch zu werden – ist in einen Kanal eingearbeitet, der durch die Gummifaser verläuft. Sobald die Spirale hergestellt ist, kann ein Magnetisierungsmuster eingeführt werden, das eine bestimmte Art von Bewegung ermöglicht.

„Youngbin hat sehr sorgfältig darüber nachgedacht, wie wir unsere Roboter magnetisieren können, damit sie sich genauso bewegen können, wie er sie programmiert hat“, sagte Anikeeva. „Er hat Berechnungen angestellt, um herauszufinden, wie man ein solches Kräfteprofil auf ihn erzeugen kann, wenn wir ein Magnetfeld anlegen, dass er tatsächlich anfängt zu laufen oder zu kriechen.“

Um beispielsweise einen raupenähnlichen Krabbelroboter zu formen, wird die spiralförmige Faser in sanfte Wellen geformt, und dann werden Körper, Kopf und Schwanz magnetisiert, sodass ein senkrecht zur Bewegungsebene des Roboters angelegtes Magnetfeld den Körper dazu veranlasst, sich zu bewegen Kompresse. Wenn das Feld auf Null reduziert wird, wird die Kompression aufgehoben und der kriechende Roboter streckt sich. Zusammen treiben diese Bewegungen den Roboter voran. Ein weiterer Roboter, bei dem zwei fußähnliche spiralförmige Fasern mit einem Gelenk verbunden sind, wird in einem Muster magnetisiert, das eine Bewegung ermöglicht, die eher dem Gehen ähnelt.

Dieser präzise Magnetisierungsprozess generiert ein Programm für jeden Roboter und stellt sicher, dass die Roboter nach ihrer Herstellung einfach zu steuern sind. Ein schwaches Magnetfeld aktiviert das Programm jedes Roboters und treibt seine besondere Bewegungsart an. Ein einzelnes Magnetfeld kann sogar mehrere Roboter in entgegengesetzte Richtungen bewegen, wenn sie dafür programmiert wurden. Das Team stellte fest, dass eine geringfügige Manipulation des Magnetfelds einen nützlichen Effekt hat: Durch Umlegen eines Schalters zum Umkehren des Felds kann ein Frachtroboter dazu gebracht werden, seine Nutzlast sanft zu schütteln und freizugeben.

Anikeeva sagt, sie könne sich vorstellen, dass diese Roboter mit weichem Körper – deren unkomplizierte Produktion sich leicht erweitern lässt – Materialien durch enge Rohre oder sogar in den menschlichen Körper transportieren. Beispielsweise könnten sie ein Medikament durch enge Blutgefäße transportieren und es genau dort freisetzen, wo es benötigt wird. Sie sagt, dass die magnetisch betriebenen Geräte auch ein biomedizinisches Potenzial haben, das über Roboter hinausgeht, und eines Tages möglicherweise in künstliche Muskeln oder Materialien integriert werden könnten, die die Geweberegeneration unterstützen.

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