Робот, названный Jellyfish Magnetic Soft Robot (J-MSR), заимствует принцип передвижения настоящих медуз, основанный на слаженном сжатии и расслаблении купола. Вместо встроенного источника энергии применяется внешнее управление магнитными полями, благодаря чему устройство остаётся лёгким и пластичным. J-MSR способен передвигаться в жидкой среде с исключительной скоростью, решая сложные задачи в области биомедицины.
Иллюстративное изображение / Источник изображения: interestingengineering.com
Инженеры разработали систему, применив полностью взаимосвязанную симуляцию магнитных, жидкостных и твёрдотельных процессов. Это дало возможность точно отрегулировать множество параметров, таких как плотность магнитного потока и временные интервалы движений. Основной задачей было снижение лобового сопротивления и увеличение силы тяги. Была выбрана асимметричная модель, напоминающая движения природных медуз, где этап сжатия протекает быстрее, чем этап восстановления. Такая неравномерность способствует выталкиванию большего объёма жидкости назад, одновременно обеспечивая устойчивость на фазах скольжения, что в итоге повышает общую эффективность.
«Настоящие медузы плывут, создавая как пространственную, так и временную асимметрию — их фаза сжатия происходит быстрее и занимает большую площадь, чем фаза восстановления», — пояснил руководитель исследования профессор Цюаньлян Цао (Quanliang Cao). — Мы воспроизвели эту тактику, используя асимметричную трапециевидную форму магнитного поля, однако не ограничились простым копированием. Мы целенаправленно оптимизировали шесть параметров формы волны, включая положительную и отрицательную плотность магнитного потока, а также длительность этапов предварительной нагрузки, сжатия, скольжения и восстановления».
Источник изображения: magnific.com
Благодаря оптимизированным формам волн робот смог развить скорость плавания 14,85 длины корпуса в секунду, несмотря на отрицательную плавучесть. Это значительный прогресс по сравнению с более ранними аналогичными устройствами, максимальная скорость которых не превышала 10 длин корпуса в секунду. Исследователи отмечают, что такого улучшения удалось добиться за счёт комбинации быстрого сжатия и тщательно выверенной фазы скольжения, которая уменьшает сопротивление.
В процессе тестирования на свиной модели желудка J-MSR показал способность переключаться между различными режимами передвижения для обхода препятствий. Изменяя внутренние схемы намагничивания и применяя трёхосевую систему катушек Гельмгольца, устройство может перемещаться под углами от 0° до 122°, совершать перевороты, преодолевать подъёмы и двигаться по узким или изогнутым маршрутам.
Учёные продемонстрировали беспроводное питание и активацию функций с помощью двухчастотных магнитных полей. Низкочастотные поля отвечали за управление движением, а высокочастотные обеспечивали работу встроенных возможностей, включая нагрев или генерацию сигналов.
Робот оснащён центральной полостью диаметром 10 мм для размещения полезной нагрузки, например датчиков или медицинских инструментов. В ходе демонстраций он переносил светодиоды, беспроводные катушки и микроиглы без снижения эффективности передвижения. Система с изменяемой плотностью позволяла устройству временно надуваться и менять плавучесть за счёт испарения жидкости с низкой температурой кипения. Это давало ему возможность захватывать объекты и затем подниматься вместе с ними.
При биомедицинских испытаниях микроигла, закреплённая на роботе, обеспечила точность наведения 4,4 ± 1,85 мм в модели желудка. Система также взаимодействовала с капсульным эндоскопом, наклоняясь до 21,8° для получения различных углов обзора внутри желудочной среды. Дальнейшие разработки будут направлены на полное трёхмерное управление, оптимизацию с использованием машинного обучения и автономную навигацию с обратной связью для медицинских целей.
Исследование продемонстрировало, как мягкая робототехника может объединить гидродинамику, магнитное управление и биомедицинские функции в единой платформе без встроенного источника энергии. «Мы полагаем, что эта платформа откроет новые горизонты для малоинвазивной диагностики и терапии, от обследования желудка до целенаправленной доставки лекарств, и всё это без необходимости во встроенном питании или проводной связи», — подытожил профессор Цао.
Научная работа «Сверхбыстрые и универсальные магнитные мягкие роботы, вдохновлённые медузами, для биомедицинского применения» была опубликована в журнале Cyborg and Bionic Systems.
