MITs neues Gel verwandelt sich in mikroskopisch kleine, magnetisch steuerbare Roboter

Diese magnetisch gesteuerten Soft-Roboter, oder Magno-Bots, könnten im Gesundheitswesen eingesetzt werden, um winzige medizinische Proben zu sammeln oder Medikamente in den Körper zu verabreichen.

„Wir können nun eine weiche, komplizierte 3D-Architektur mit Komponenten erstellen, die innerhalb derselben mikroskopischen Struktur auf komplexe Weise bewegen und verformen können. Für weiche mikroskopische Robotik oder stimuli-reaktive Materie könnte dies eine bahnbrechende Fähigkeit sein“, sagte Carlos Portela, der Verfasser der Studie vom MIT.

Neue Art gegenüber anderen Auslösern wie Licht oder Chemikalien, wegen ihrer einzigartigen Geschwindigkeit und Bequemlichkeit.

Magnetfelder können eine sofortige, drahtlose Steuerung

Magnetfelder können eine sofortige, drahtlose Steuerung aus der Ferne ermöglichen und so die Notwendigkeit langsamer chemischer Reaktionen oder physischen Kontakts umgehen. Dieser „programmierbare“ Ansatz ermöglicht die sofortige Manipulation der Materialeigenschaften für hochpräzise, ferngesteuerte Mikrorobotik.

Die neue Arbeit hat winzige, 3D-gedruckte „Lutscher“ aus einem speziellen magnetischen Gel geschaffen, die jeweils kleiner sind als ein Sandkorn. Interessanterweise können sie augenblicklich in Robotergreifer verwandelt werden, wenn ein Magnet in deren Nähe geschwenkt wird.

Um magnetisch reagierende Strukturen kleiner als einen Millimeter zu erzeugen, verlassen sich Forscher typischerweise auf die Zwei-Photonen-Lithographie, eine hochauflösende 3D-Drucktechnik, die Laser verwendet, um Harz zu verfestigen.

Allerdings ist der Standard-3D-Druck magnetischer Materialien

Allerdings ist der Standard-3D-Druck magnetischer Materialien schwierig, da magnetische Nanopartikel – im Wesentlichen winzige Metallstücke – das Laserlicht streuen und verklumpen.

Diese Interferenz reduziert die Leistung des Lasers und beeinträchtigt die strukturelle Integrität des Drucks, was es oft unmöglich macht, komplexe, funktionale Mikrodesigns herzustellen.

„Der direkte 3D-Druck verformbarer Mikrostrukturen mit einem hohen Anteil an magnetischen Partikeln ist extrem schwierig und beinhaltet oft einen Kompromiss zwischen magnetischer Funktionalität und struktureller Integrität“, sagte Rachel Sun, Mitautorin. Um diese Druckhindernisse zu überwinden, wurde in dieser Arbeit ein „Double-Dip“-Verfahren verwendet.

Dabei werden die magnetischen Eigenschaften nach

Dabei werden die magnetischen Eigenschaften nach Abschluss des 3D-Drucks hinzugefügt. Das Team druckt zuerst eine saubere Polymer-Mikrostruktur und taucht sie dann in aufeinanderfolgende chemische Bäder, um Eisenoxid-Nanopartikel direkt im Gel wachsen zu lassen.

Darüber hinaus kann die Dichte des Gels durch die Anpassung der Laserleistung während des initialen Drucks gesteuert werden. Ein dichteres Gel absorbiert weniger Ionen, was eine präzise Abstimmung des Magnetismus einzelner Komponenten innerhalb eines einzigen mikroskopischen Roboters ermöglicht.

Um die Präzision des Materials zu demonstrieren, wurden die 3D-gedruckten „Lutscher“-Strukturen auf unterschiedliche Weise magnetisiert. Bei Exposition gegenüber einem einfachen Kühlschrankmagneten reagierten diese einzelnen Komponenten mit unterschiedlichen Stärken, was es ermöglichte, die Lutscher koordiniert bewegen zu lassen.

Diese synchronisierte Bewegung imitierte die Bewegung

Diese synchronisierte Bewegung imitierte die Bewegung , dass diese mikroskopischen Strukturen als komplexe, ferngesteuerte Roboterwerkzeuge funktionieren können.

„Man könnte sich vorstellen, dass eine magnetische Architektur wie diese als ein kleiner Roboter dienen könnte, den man mit einem externen Magneten durch den Körper führen und der beispielsweise an etwas andocken könnte, um eine Biopsie zu entnehmen“, sagte Portela.

„Das ist eine Vision, die andere aus dieser Arbeit ableiten können.“ Die Forscher entwickelten außerdem einen „bistabilen“ Schalter mithilfe eines millimeterlangen Gel-Rechtecks, das mit magnetischen „Paddel“ ausgestattet ist, die so groß sind wie ein roter Blutkörperchen.

Das Anlegen eines externen Magneten kippt

Das Anlegen eines externen Magneten kippt diese Paddel, um das Gerät entweder in einer Ein- oder Ausposition zu ziehen und zu verriegeln, was wie ein ferngesteufter Kippschalter funktioniert. Dieser Mechanismus könnte als mikroskopisches Ventil dienen, um den Flüssigkeitsfluss in medizinischen Geräten zu regulieren.

Die Ergebnisse wurden am 28. April in der Fachzeitschrift Matter veröffentlicht.