Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:
проверенный фактами
надежный источник
корректура
Хорошо! Абдон Пена-Франчеш держит мягкий гель до того, как он будет обработан химикатами, которые придают материалу магнитные свойства. Бесцветному предшественнику можно придать самые разные формы — например, капсулы, которые однажды можно будет принимать внутрь для доставки лекарств. Фото: Бренда Ахерн/Michigan Engineering.
× закрыть
Абдон Пена-Франчеш держит мягкий гель до того, как он будет обработан химикатами, которые придают материалу магнитные свойства. Бесцветному предшественнику можно придать самые разные формы — например, капсулы, которые однажды можно будет принимать внутрь для доставки лекарств. Фото: Бренда Ахерн/Michigan Engineering.
«Мягкие роботы», медицинские устройства и имплантаты, а также методы доставки лекарств нового поколения вскоре смогут управляться с помощью магнетизма — благодаря безметалловому магнитному гелю, разработанному исследователями из Мичиганского университета и Института интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте. , Германия.
Этот материал является первым, в котором магнитные молекулы на основе углерода химически связаны с молекулярной сеткой геля, создавая гибкий и долговечный магнит для мягкой робототехники. Исследование, описывающее материал, было опубликовано сегодня в журнале Matter.
Создание роботов из гибких материалов позволяет им уникальным образом деформироваться, обращаться с хрупкими объектами и исследовать места, недоступные другим роботам. Например, более жесткие роботы могут быть раздавлены давлением глубин океана или могут повредить чувствительные ткани человеческого тела.
«Если вы сделаете роботов мягкими, вам необходимо найти новые способы придать им энергию и заставить их двигаться, чтобы они могли выполнять работу», — сказал Абдон Пена-Франчеш, доцент кафедры материаловедения и инженерии, связанный с Институтом робототехники в Университете Нью-Йорка. Мичиганский университет и соответствующий автор исследования
Сегодняшние прототипы обычно передвигаются с помощью гидравлики или механических проводов, что требует привязки робота к источнику питания или контроллеру, что также ограничивает их возможности движения. Магниты могут развязать этих роботов, позволяя им перемещаться с помощью магнитных полей.
Разработка неметаллических мягких магнитов для питания мягких роботов
Однако обычные металлические магниты создают свои сложности. Они могут снизить гибкость мягких роботов и оказаться слишком токсичными для некоторых медицинских применений.
Новый гель может стать нетоксичной альтернативой медицинским операциям, а дальнейшие модификации химической структуры магнита могут помочь ему разлагаться в окружающей среде и организме человека. Такие биоразлагаемые магниты можно использовать в капсулах, которые направляются к определенным участкам тела для высвобождения лекарств.
«Если эти материалы могут безопасно разлагаться в вашем организме, вам не придется позже извлекать их с помощью другой операции», — сказал Пенья-Франчеш. «Это все еще довольно исследовательский вопрос, но когда-нибудь эти материалы позволят проводить новые и более дешевые медицинские операции».
Гель команды состоит исключительно из молекул на основе углерода. Ключевым ингредиентом является TEMPO, молекула со «свободным» электроном, который не связан с другим электроном внутри атомной связи. Спин каждого неспаренного электрона TEMPO в геле выравнивается под действием магнитного поля, которое притягивает гель к другим магнитным материалам.
Дополнительные «сшивающие молекулы» в геле действуют как каркас, который соединяет молекулы TEMPO с прочной сетчатой структурой, образуя при этом защитную клетку вокруг электронов TEMPO. Эта клетка не позволяет неспаренным электронам образовывать связи, которые могут лишить гель магнитных свойств.
Химическая структура органического магнита. Коричневые линии и черные узлы показывают общее расположение «сшивающих молекул», которые служат каркасом для молекулярной структуры геля и клеткой для молекул TEMPO (показаны красным). Молекулы TEMPO связаны непосредственно со структурой геля. Свободные электроны на атомах кислорода TEMPO (показаны точками) придают материалу магнитные свойства. Фото: Абдон Пена-Франчеш/Лаборатория биоинспирированных материалов, Мичиганский университет.
× закрыть
Химическая структура органического магнита. Коричневые линии и черные узлы показывают общее расположение «сшивающих молекул», которые служат каркасом для молекулярной структуры геля и клеткой для молекул TEMPO (показаны красным). Молекулы TEMPO связаны непосредственно со структурой геля. Свободные электроны на атомах кислорода TEMPO (показаны точками) придают материалу магнитные свойства. Фото: Абдон Пена-Франчеш/Лаборатория биоинспирированных материалов, Мичиганский университет.
«В более ранних исследованиях эти маленькие магнитные молекулы впитывались в гель, но они могли вытекать из геля», — сказал Зейн Чжан, докторант в области материаловедения и инженерии и соавтор исследования. «Интегрируя магнитные молекулы в сшитую сеть геля, они фиксируются внутри».
Запирание молекул TEMPO внутри материала гарантирует, что гель не попадет в организм потенциально вредных молекул TEMPO, и позволяет материалу сохранять свои магнитные свойства более года.
Хотя магниты TEMPO слабее металлических магнитов, они достаточно сильны, чтобы их можно было тянуть и сгибать другим магнитом. Их более слабый магнетизм также имеет некоторые преимущества: магниты TEMPO можно сфотографировать с помощью МРТ, в отличие от более сильных магнитов, которые могут искажать изображения МРТ до бесполезности.
«Медицинские устройства, использующие наши магниты, могут быть использованы для доставки лекарств в нужные места и измерения адгезии тканей и механики в желудочно-кишечном тракте с помощью МРТ», — сказал Метин Ситти, бывший директор отдела физического интеллекта Института интеллектуальных систем Макса Планка и соответствующий автор исследования.
Больше информации:
Абдон Пена-Франчеш и др., Макромолекулярные радикальные сети для органических мягких магнитов, Matter (2024). DOI: 10.1016/j.matt.2023.12.015
2024-01-16 15:32:15
1705420742
#Мягкие #магниты #не #содержащие #металлов #для #питания #роботов #направления #медицинских #имплантатов