Zmiennokształtne roboty z płynnego metalu mogą już nie być ograniczone do science fiction.

Miniaturowe maszyny mogą przełączać się ze stanu stałego na płynny iz powrotem, aby wcisnąć się w ciasne przestrzenie i wykonywać zadania, takie jak lutowanie płytki drukowanej, donoszą naukowcy 25 stycznia w Materiał.

Ta właściwość przesunięcia fazowego, którą można kontrolować zdalnie za pomocą pola magnetycznego, zawdzięcza metalicznemu galowi. Naukowcy osadzili metal z cząstkami magnetycznymi do kierowania ruchami metalu za pomocą magnesów. Ten nowy materiał może pomóc naukowcom w opracowaniu miękkich, elastycznych robotów, które mogą prześlizgiwać się przez wąskie przejścia i być kierowane na zewnątrz.

W nowym badaniu naukowcy połączyli oba podejścia po zainspirowaniu się naturą (Nr seryjny: 3/3/21). Na przykład ogórki morskie „mogą bardzo szybko i odwracalnie zmienić swoją sztywność”, mówi inżynier mechanik Carmel Majidi z Carnegie Mellon University w Pittsburghu. „Wyzwaniem dla nas jako inżynierów jest naśladowanie tego w systemach materiałów miękkich”.

Zespół zwrócił się więc ku galowi, metalowi, który topi się w temperaturze około 30°C – nieco powyżej temperatury pokojowej. Zamiast podłączać grzejnik do kawałka metalu w celu zmiany jego stanu, naukowcy wystawiają go na działanie szybko zmieniającego się pola magnetycznego w celu upłynnienia. Zmienne pole magnetyczne generuje elektryczność w galu, powodując jego nagrzewanie i topienie. Materiał ponownie krzepnie po pozostawieniu do ostygnięcia do temperatury pokojowej.

Ponieważ cząsteczki magnetyczne są rozproszone po galu, magnes trwały może go przeciągać. W postaci stałej magnes może przesuwać materiał z prędkością około 1,5 metra na sekundę. Zmodernizowany gal może również przenosić około 10 000 razy więcej niż sam waży.

Magnesy zewnętrzne mogą nadal manipulować płynną formą, powodując jej rozciąganie, rozdzielanie i łączenie. Ale kontrolowanie ruchu płynu jest trudniejsze, ponieważ cząstki galu mogą się swobodnie obracać i mają nierówne bieguny magnetyczne w wyniku topnienia. Ze względu na różne orientacje cząstki poruszają się w różnych kierunkach w odpowiedzi na magnes.

Majidi i współpracownicy przetestowali swoją strategię na małych maszynach, które wykonywały różne zadania. W demonstracji prosto z filmu Terminatorzy 2zabawkowa osoba uciekła z celi więziennej, przetapiając się przez kraty i ponownie zestalając się w swojej pierwotnej formie za pomocą formy umieszczonej tuż za kratami.

Z bardziej praktycznego punktu widzenia, jedna maszyna usuwała małą kulkę z modelowego ludzkiego żołądka, lekko topiąc się, aby owinąć się wokół ciała obcego przed opuszczeniem narządu. Ale sam gal zamieniłby się w maź w prawdziwym ludzkim ciele, ponieważ metal jest cieczą w temperaturze ciała, około 37°C. Kilka innych metali, takich jak bizmut i cyna, zostałoby dodanych do galu w zastosowaniach biomedycznych aby podnieść temperaturę topnienia materiału, twierdzą autorzy. W innej demonstracji materiał upłynnił się i ponownie utwardził, aby przylutować płytkę drukowaną.

Chociaż ten materiał z przesunięciem fazowym jest dużym krokiem w tej dziedzinie, pozostają pytania dotyczące jego zastosowań biomedycznych, mówi inżynier biomedyczny Amir Jafari z University of North Texas w Denton, który nie był zaangażowany w prace. Mówi, że jednym z dużych wyzwań jest precyzyjne kontrolowanie sił magnetycznych wewnątrz ludzkiego ciała, które są generowane przez zewnętrzne urządzenie.

„To przekonujące narzędzie” — mówi inżynier robotyki Nicholas Bira z Uniwersytetu Harvarda, który również nie był zaangażowany w badania. Dodaje jednak, że naukowcy zajmujący się miękką robotyką nieustannie tworzą nowe materiały.

„Prawdziwa innowacja, która nadchodzi, polega na połączeniu tych różnych innowacyjnych materiałów”.