Магнитный робот, способный менять форму в реальном времени, устроен как матрешка
В Институте интеллектуальных систем имени Макса Планка (MPI-IS) разработан магнитный робот, способный менять форму в реальном времени непосредственно в месте применения (in situ).
Разработчики назвали свою конструкцию роботом-матрешкой, хотя трудно представить что-то более непохожее, чем эта система трубок, на русскую народную игрушку. С матрешкой ее объединяет принцип построения — трубки вложены одна в другую, что и придало им незаурядные качества.
До сих пор магнитные роботы создавались с фиксированными профилями намагниченности. Это ограничивало их возможности: они могли изменять форму лишь в определенных сценариях под действием внешнего магнитного поля.
В своей работе ученые вдохновлялись подсолнухом: чтобы следовать за солнцем, он переконфигурирует свой стебель биохимическими методами, а не выращивает новые. Так же функционирует и детище робототехников: намагниченностью каждой из трубок можно управлять, и в результате они, будучи тесно связанными друг с другом, изгибаются, выпрямляются, сворачиваются спиралью и т. д.
Управление формой робота посредством перепрограммирования намагниченности in situ.
- Трубки вложены друг в друга, как матрешки (A).
- Каждая трубка содержит один или несколько магнитных блоков, и профиль намагничивания каждого магнитного блока может быть предварительно запрограммирован по запросу (B).
- Изменение конфигурации группы трубок немагнитным методом, например, раздвигание или сближение, меняет относительное положение магнитных блоков и, следовательно, профиль намагничивания всей системы (C).
- Трубка может изменять форму с прямой на спиральную (D) или деформироваться в противоположном направлении (E).
Описанный в журнале Nature метод можно распространить и на двумерные, и на трехмерные структуры, переключая несколько режимов деформации без изменения поля.
Хотя работа Институтов Макса Планка в основном ориентирована на фундаментальные исследования, призванные удовлетворять сугубо научный интерес, команда также изучила возможные сценарии применения — например, обход препятствий без нежелательных контактов, перепрограммирование ресничных массивов и координацию нескольких инструментов в одном магнитном поле.
Однако открытие может иметь и прикладное значение. В медицине — особенно при малоинвазивных операциях на сосудах под контролем изображения. Сейчас при проведении таких процедур врачи вводят катетер и проводник в сосуды к пораженному участку. При прохождении по извилистым сосудам трение о стенки неизбежно и может вызвать повреждения, замедляющие восстановление или даже приводящие к осложнениям. Поэтому часто пациенты, особенно пожилые, отказываются от таких процедур, предпочитая консервативные методы лечения.
Новая технология предлагает альтернативу: подстраивая магнитный профиль катетера в реальном времени под изгибы сосудов, можно резко снизить или даже полностью исключить трение. Это позволит минимизировать повреждения тканей, ускорить восстановление и сделает сосудистые вмешательства доступными для пациентов, которым раньше их старались не назначать из-за возраста или хрупкости сосудов.
«Эта стопка трубок может стать основой новой технологии катетеров в будущем. Хотя это прежде всего фундаментальная наука, мы видим огромный потенциал для практического применения уже в ближайшие годы», — говорит профессор Метин Ситти, руководивший в MPI-IS отделом физического интеллекта, а ныне возглавивший Университет Коча в Стамбуле.
«Наша исходная цель состояла в том, чтобы создать метод изменения магнитного профиля в реальном времени и in situ, — отмечает первый автор публикации Сяньцян Бао. — В ходе работы мы неожиданно обнаружили и другие возможности, например, сохранение формы и магнитную нейтрализацию. Это открывает дорогу новым технологиям, таким как усовершенствованные катетеры или перепрограммируемые ресничные массивы».
«Это фундаментальное исследование, за которым скрывается множество прикладных сценариев. В дальнейшем мы планируем интегрировать метод в конкретные задачи и проверить его применимость в других областях», — добавляют соавторы Фань Ван и Цзяньхуа Чжан.
