Collectieve gesynchroniseerde magnetische oscillaties stellen micropillaire arrays in staat om vloeistoffen te manipuleren en te werken als zachte robots

Onderzoekers van de Hanyang University hebben een innovatieve micropillaire array ontwikkeld die in staat zijn tot collectieve en snelle magnetische oscillaties, die een sterk potentieel voor geavanceerde toepassingen in robotica, vloeistoftransport en dynamische oppervlaktecontrole aantonen.

In de natuur vertonen veel organismen collectieve bewegingen om taken uit te voeren die alleen voor individuen een uitdaging zouden zijn. Een prominent voorbeeld is de gecoördineerde beweging van mariene cilia, die gezamenlijk de vloeistofstroom reguleren, voortbeweging vergemakkelijken of de hechting aan omliggende oppervlakken verbeteren. Hoewel kunstmatige micropillaire structuren zijn onderzocht om oppervlaktefunctionaliteit te manipuleren, blijft het bereiken van dynamische bediening met zowel snelle respons als voldoende grote vervorming een belangrijke uitdaging.

Onder leiding van Jeong Jae (JJ) WIE, universitair hoofddocent aan de afdeling Organic and Nano Engineering aan de Hanyang University, en Jun Oh Kim, een medewerker van het Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), ontwikkelde het team arrays van micrometer-schaalstructuren die onmiddellijk reageren op veranderingen in een roterend magnetisch veld, Synchronized oscromaties met hoge vervorming.

Deze bevindingen waren onlangs gepubliceerd in het dagboek ACS nano.

Conventionele zachte actuatoren lijden aan een verminderde vervormingsgrootte bij hoge oscillatiefrequentie vanwege hun inherente visco -elastische vertragingen, waardoor hun vermogen om snel evenwichtsconfiguraties te bereiken, beperkt dat het magnetische moment minimaliseren. Dit leidt tot verminderde prestaties met toenemende oscillatiefrequentie.

Om deze beperkingen te overwinnen, hebben de onderzoekers harde magnetische microdeeltjes ingebed in een elastomeer op basis van siliconen en hun magnetisatieprofiel geprogrammeerd. Dit ontwerp stelde de micropillaire arrays in staat om verschillende gecontroleerde vervormingsmodi te bereiken, waaronder eenvoudige buigen, draaien en torsie -oscillaties. Onderzoekers veranderden het magnetisatieprofiel om buig- en draaiende vervormingen te genereren, terwijl de magnetische veldgradiëntcontrole leidde tot torsie-lijn- of punt-symmetrische oscillaties.

Bovendien stellen harde magnetische microdeeltjes micropillaire arrays in staat om te werken onder een matige grootte van magnetische velden, die werken onder een commerciële magnetische roerder. Micropillaire arrays daarentegen met conventionele zachte magnetische microdeeltjes, zoals ijzer (Fe) microdeeltjes, vereisen een sterke grootte van magnetische fluxdichtheid.

Opmerkelijk is dat deze magnetisch geprogrammeerde micropillaire arrays hun grote vervormingsgroottes tot 15 Hz handhaafden zonder vertraging in de uitgangsfrequentie. Met hun hoogte van slechts 400 μm bereikten de micropillars een opmerkelijke pieksnelheid van 81,8 mm/s-meer dan 200 keer hun lichaamslengte per seconde-een uitzonderlijke snelheid-tot-grootte verhouding in zachte materiaalbediening.

De onderzoekers toonden ook hoe deze collectieve, oscillerende micropillaire arrays konden worden toegepast in zachte robotica en microfluïdica – het transporterende vracht- of mengvloeistoffen via magnetisch aangedreven beweging.

De micropillaire array heeft vloeistof gericht om in een met de klok mee of tegen de klok in te circuleren door torsie-lijn- of punt-symmetrische oscillaties. Bovendien worden micropillaire multiarray tapijten geserveerd als microfluïdische peddels, die gecontroleerde vloeistofstroom in een petrischaalgrootkanaal worden gegenereerd, waardoor vloeistoffen effectief worden mengt zonder dat externe pompen of slangen nodig zijn.

In een andere opstelling is de micropillaire array ook omgekeerd zodat micropillaire tips fungeren als de benen van een zachte robot, waardoor wandelende voortbeweging mogelijk is. In plaats van te vertrouwen op traditionele wielen of mechanische ledematen, gaat de robot voort door de collectieve torsiebeweging van de micropillars, volledig aangedreven door een magnetische roerder die onder het oppervlak wordt geplaatst.

“Deze doorbraak van collectieve magnetische oscillaties kan een opkomende sjabloon zijn voor veel toepassingen, voorbij zachte actuatoren door andere functionele materialen op te nemen voor dynamische fotonica en energieoverdracht,” zei Jisoo Jeon, de co-eerste auteur van dit werk.

“Dit werk vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van niet-performance microactuatoren voor zachte generatie zachte robotica en microfluïdische technologieën,” voegde een andere co-first auteur, Hanyang University-onderzoeker Hojun Moon.