Deze vormveranderende apparaten smelten en hervormen dankzij magnetische velden

Vormveranderende robots van vloeibaar metaal zijn misschien niet meer beperkt tot sciencefiction.

Miniatuurmachines kunnen schakelen van vast naar vloeibaar en weer terug om zich in krappe ruimtes te wurmen en taken uit te voeren zoals het solderen van een printplaat, melden onderzoekers op 25 januari Materie.

Deze faseverschuivende eigenschap, die op afstand bestuurbaar is met een magnetisch veld, is te danken aan het metaal gallium. Onderzoekers hebben het metaal ingebed met magnetische deeltjes om de bewegingen van het metaal met magneten te sturen. Dit nieuwe materiaal kan wetenschappers helpen bij het ontwikkelen van zachte, flexibele robots die door nauwe doorgangen kunnen slingeren en van buitenaf kunnen worden geleid.

Wetenschappers ontwikkelen al jaren magnetisch gestuurde zachte robots. De meeste bestaande materialen voor deze bots zijn gemaakt van rekbare maar stevige materialen, die niet door de smalste ruimtes kunnen gaan, of magnetische vloeistoffen, die vloeibaar zijn maar geen zware voorwerpen kunnen dragen (SN: 7/18/19).

In de nieuwe studie combineerden onderzoekers beide benaderingen na het vinden van inspiratie uit de natuur (SN: 3-3-21). Zeekomkommers bijvoorbeeld “kunnen zeer snel en omkeerbaar hun stijfheid veranderen”, zegt werktuigbouwkundig ingenieur Carmel Majidi van de Carnegie Mellon University in Pittsburgh. “De uitdaging voor ons als ingenieurs is om dat na te bootsen in de systemen voor zachte materialen.”

Dus wendde het team zich tot gallium, een metaal dat smelt bij ongeveer 30 ° Celsius – iets boven kamertemperatuur. In plaats van een verwarmingselement op een stuk metaal aan te sluiten om de toestand ervan te veranderen, stellen de onderzoekers het bloot aan een snel veranderend magnetisch veld om het vloeibaar te maken. Het wisselende magnetische veld wekt elektriciteit op in het gallium, waardoor het opwarmt en smelt. Het materiaal stolt weer als het wordt afgekoeld tot kamertemperatuur.

Omdat magnetische deeltjes door het gallium worden gestrooid, kan een permanente magneet het rondslepen. In vaste vorm kan een magneet het materiaal verplaatsen met een snelheid van ongeveer 1,5 meter per seconde. Het opgewaardeerde gallium kan ook ongeveer 10.000 keer zijn eigen gewicht dragen.

Externe magneten kunnen de vloeibare vorm nog steeds manipuleren, waardoor deze wordt uitgerekt, gesplitst en samengevoegd. Maar het beheersen van de beweging van de vloeistof is een grotere uitdaging, omdat de deeltjes in het gallium vrij kunnen roteren en niet-uitgelijnde magnetische polen hebben als gevolg van smelten. Vanwege hun verschillende oriëntaties bewegen de deeltjes in verschillende richtingen als reactie op een magneet.

Majidi en collega’s testten hun strategie in kleine machines die verschillende taken uitvoerden. In een demonstratie rechtstreeks uit de film Afsluiter 2ontsnapte een speelgoedpersoon uit een gevangeniscel door door de tralies heen te smelten en weer in zijn oorspronkelijke vorm te stollen met behulp van een mal die net buiten de tralies was geplaatst.

Aan de meer praktische kant verwijderde een machine een kleine bal uit een model menselijke maag door een beetje te smelten om zich rond het vreemde voorwerp te wikkelen voordat het het orgel verliet. Maar gallium op zichzelf zou in een echt menselijk lichaam in een klodder veranderen, aangezien het metaal een vloeistof is bij lichaamstemperatuur, ongeveer 37 ° C. Er zouden nog een paar metalen, zoals bismut en tin, aan het gallium worden toegevoegd in biomedische toepassingen. om het smeltpunt van het materiaal te verhogen, zeggen de auteurs. Bij een andere demonstratie werd het materiaal vloeibaar en opnieuw uitgehard om een ​​printplaat te solderen.

Hoewel dit faseverschuivende materiaal een grote stap in het veld is, blijven er vragen over de biomedische toepassingen ervan, zegt biomedisch ingenieur Amir Jafari van de Universiteit van Noord-Texas in Denton, die niet bij het werk betrokken was. Een grote uitdaging, zegt hij, is het nauwkeurig beheersen van magnetische krachten in het menselijk lichaam die worden gegenereerd door een extern apparaat.

“Het is een overtuigend hulpmiddel”, zegt robotica-ingenieur Nicholas Bira van Harvard University, die ook niet bij het onderzoek betrokken was. Maar, voegt hij eraan toe, wetenschappers die zachte robotica bestuderen, creëren voortdurend nieuwe materialen.

“De echte innovatie die gaat komen, ligt in het combineren van deze verschillende innovatieve materialen.”