Исследователи Северо-Западного университета разработали первый в своем роде живой материал, который действует как мягкий робот. Он может ходить со скоростью человека, подбирать и перевозить груз на новое место, взбираться на холмы и даже танцевать брейк-данс, чтобы выпустить частицу.

Почти 90% воды по весу, сантиметровый робот движется без сложного оборудования, гидравлики или электричества. Вместо этого он активируется светом и движется в направлении внешнего вращающегося магнитного поля.

Напоминающий четвероногого осьминога, робот функционирует внутри заполненного водой резервуара, что делает его идеальным для использования в водной среде. Исследователи предполагают, что они настраивают движения миниатюрных роботов, чтобы помочь катализировать различные химические реакции, а затем откачивать ценные продукты. Роботы также могут быть молекулярно сконструированы для распознавания и активного удаления нежелательных частиц в определенных средах или для использования их механических движений и локомоции для точной доставки биотерапевтических препаратов или клеток в определенные ткани.

"Обычные роботы-это, как правило, тяжелые машины с большим количеством оборудования и электроники, которые не могут безопасно взаимодействовать с мягкими структурами, включая людей", - сказал Сэмюэл И. Ступп, который руководил экспериментальными исследованиями. "Мы разработали мягкие материалы с молекулярным интеллектом, чтобы они могли вести себя как роботы любого размера и выполнять полезные функции в крошечных пространствах, под водой или под землей."

"Комбинируя ходьбу и рулевое управление вместе, мы можем запрограммировать определенные последовательности магнитных полей, которые удаленно управляют роботом и направляют его по траекториям на плоских или наклонных поверхностях", - добавила Моника Ольвера де ла Крус, возглавлявшая теоретическую работу. "Эта программируемая функция позволяет нам направлять робота по узким проходам со сложными маршрутами."

Результаты исследования будут опубликованы 9 декабря в журнале Science Robotics.

Ступп является профессором кафедры материаловедения и инженерии, химии, медицины и биомедицинской инженерии Северо-Западного университета. У него есть назначения в Инженерной школе Маккормика, колледже искусств и наук Вайнберга и Медицинской школе Файнберга. Ольвера де ла Крус-юрист, профессор материаловедения и инженерии, химии и химической и биологической инженерии в МакКормике.

Ступп и Олвера де ла Крус также являются директором и заместителем директора, соответственно, Центра Биоинспирированной энергетической науки, Северо-Западного исследовательского центра энергетических границ, финансируемого Министерством энергетики США.

Новое достижение

Исследование основано на предыдущей работе Ступпа по созданию "роботизированной мягкой материи", имитирующей живых морских существ. В предыдущем исследовании, опубликованном ранее в этом году, роботизированный материал мог изгибаться в течение нескольких минут и ползать по поверхности, делая один шаг каждые 12 часов. Нынешний прорыв позволяет роботу двигаться со скоростью человека-примерно один шаг в секунду-и реагировать на магнитные поля, которые направляют эти материалы по определенным траекториям.

Соединяя реакции на свет и магнитные поля, исследователи разработали робота, который также может поднимать груз и доставлять его к месту назначения пешком или на катке. Затем он сбрасывает груз на новое место, либо переворачивая его форму-позволяя плавным полезным грузам мягко соскальзывать с робота-либо выполняя вращающийся "брейк-данс", чтобы вытеснить и выпустить более липкие предметы.

"Дизайн новых материалов, имитирующих живые существа, позволяет не только быстрее реагировать, но и выполнять более сложные функции", - сказал Ступп. "Мы можем изменить форму и добавить ноги синтетическим существам, и дать этим безжизненным материалам новые походки и более умное поведение. Это делает их очень универсальными и поддающимися различным задачам."

Как это работает

Секрет точного движения и маневренности робота заключается в его заполненной водой структуре и встроенном скелете из выровненных никелевых нитей, которые являются ферромагнитными. Мягкий компонент представляет собой молекулярно сконструированную сеть с частями, которые позволяют ему реагировать на свет, удерживать или вытеснять воду в своем нутре и имеют как раз нужную жесткость, чтобы быстро реагировать на магнитные поля.

Северо-западная команда использовала химический синтез, чтобы запрограммировать молекулы внутри гидрогеля реагировать на свет. При воздействии света молекулы робота становятся гидрофобными (отталкивающими воду), в результате чего молекулы воды убегают. Это преобразование заставляет робота "оживать", изгибаясь из плоского положения в "стоячее"." Исследователи обнаружили, что этот изгиб позволяет материалу быстро реагировать на вращающиеся магнитные поля, активируя его способность быстро ходить. Когда свет выключается, молекулы возвращаются в свое первоначальное состояние, и робот становится плоским, но он готов в любое время к новому циклу активности под магнитным полем, когда ему подсказывает светодиод.

При воздействии вращающихся магнитных полей встроенный скелет в согнутом роботе оказывает циклическое воздействие на мягкую молекулярную сеть и активирует ноги. Вращающееся поле может быть запрограммировано для перемещения робота по заранее заданной траектории.

"Используя теорию и вычисления, мы можем рассчитать реакцию на свет и магнитные поля", - сказал Ольвера де ла Крус. "Это позволяет нам с большой точностью предсказывать и программировать траектории ходьбы."

Будущие приложения

Stupp и Olvera de la Cruz предполагают, что эти мягкие роботизированные материалы потенциально могут быть использованы для создания объектов для многих применений, включая химическое производство, новые инструменты для экологически важных технологий или в качестве интеллектуальных биоматериалов для высокоразвитой медицины.

"В конце концов, мы хотели бы создать армии микророботов, которые могли бы выполнять сложную задачу скоординированным образом", - сказал Ступп. "Мы можем настроить их молекулярно, чтобы они взаимодействовали друг с другом, имитируя роение птиц и бактерий в природе или стаи рыб в океане. Молекулярная универсальность платформы может привести к приложениям, которые еще не были задуманы на данный момент."

ИСТОЧНИК