Les robots magnétiques marchent, rampent et nagent

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Les scientifiques du MIT ont développé de minuscules robots au corps mou qui peuvent être contrôlés avec un faible aimant. Les robots, formés de spirales magnétiques caoutchouteuses, peuvent être programmés pour marcher, ramper, nager, le tout en réponse à un champ magnétique simple et facile à appliquer.

"C'est la première fois que l'on parvient à contrôler la locomotion tridimensionnelle de robots avec un champ magnétique unidimensionnel", explique le professeur Polina Anikeeva, dont l'équipe a publié un article en libre accès sur les robots magnétiques le 3 juin. dans la revue Advanced Materials. « Et comme ils sont principalement composés de polymères et que les polymères sont mous, vous n'avez pas besoin d'un très grand champ magnétique pour les activer. C'est en fait un très petit champ magnétique qui anime ces robots », ajoute Anikeeva, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de sciences du cerveau et cognitives au MIT, chercheur associé au McGovern Institute for Brain Research, ainsi que directeur associé du MIT. Laboratoire de recherche en électronique et directeur du K. Lisa Yang Brain-Body Center du MIT.

Les nouveaux robots sont bien adaptés au transport de marchandises dans des espaces confinés et leurs corps en caoutchouc sont doux pour les environnements fragiles, ouvrant la possibilité de développer la technologie pour des applications biomédicales. Anikeeva et son équipe ont fabriqué leurs robots en millimètres de long, mais elle affirme que la même approche pourrait être utilisée pour produire des robots beaucoup plus petits.

Ingénierie de robots magnétiques

Anikeeva dit que jusqu'à présent, les robots magnétiques se déplaçaient en réponse aux champs magnétiques en mouvement. Elle explique que pour ces modèles, « si vous voulez que votre robot marche, votre aimant marche avec lui. Si vous voulez qu’il tourne, vous faites pivoter votre aimant. Cela limite les paramètres dans lesquels de tels robots peuvent être déployés. « Si vous essayez d’opérer dans un environnement très contraint, un aimant mobile n’est peut-être pas la solution la plus sûre. Vous voulez pouvoir disposer d’un instrument stationnaire qui applique simplement un champ magnétique à l’ensemble de l’échantillon », explique-t-elle.

Youngbin Lee PhD '22, un ancien étudiant diplômé du laboratoire d'Anikeeva, a conçu une solution à ce problème. Les robots qu'il a développés dans le laboratoire d'Anikeeva ne sont pas uniformément magnétisés. Au lieu de cela, ils sont stratégiquement magnétisés dans différentes zones et directions, de sorte qu’un seul champ magnétique peut permettre un profil de forces magnétiques déterminant le mouvement.

Mais avant d’être magnétisés, les corps flexibles et légers des robots doivent être fabriqués. Lee commence ce processus avec deux types de caoutchouc, chacun ayant une rigidité différente. Ceux-ci sont pris en sandwich, puis chauffés et étirés pour former une fibre longue et fine. En raison des propriétés différentes des deux matériaux, l'un des caoutchoucs conserve son élasticité grâce à ce processus d'étirement, mais l'autre se déforme et ne peut pas reprendre sa taille d'origine. Ainsi, lorsque la tension est relâchée, une couche de fibre se contracte, tirant de l'autre côté et tirant le tout dans une bobine serrée. Anikeeva dit que la fibre hélicoïdale est calquée sur les vrilles sinueuses d'un plant de concombre, qui spiralent lorsqu'une couche de cellules perd de l'eau et se contracte plus rapidement qu'une deuxième couche.

Un troisième matériau, dont les particules ont le potentiel de devenir magnétiques, est incorporé dans un canal qui traverse la fibre caoutchouteuse. Ainsi, une fois la spirale réalisée, un motif de magnétisation permettant un type de mouvement particulier peut être introduit.

"Youngbin a réfléchi très attentivement à la manière de magnétiser nos robots pour les rendre capables de se déplacer exactement comme il les avait programmés pour se déplacer", explique Anikeeva. "Il a fait des calculs pour déterminer comment établir un tel profil de forces lorsque nous appliquons un champ magnétique qu'il se mettra réellement à marcher ou à ramper."

Pour former un robot rampant ressemblant à une chenille, par exemple, la fibre hélicoïdale est façonnée en légères ondulations, puis le corps, la tête et la queue sont magnétisés de sorte qu'un champ magnétique appliqué perpendiculairement au plan de mouvement du robot amène le corps à compresse. Lorsque le champ est réduit à zéro, la compression est relâchée et le robot rampant s'étire. Ensemble, ces mouvements propulsent le robot vers l'avant. Un autre robot dans lequel deux fibres hélicoïdales en forme de pied sont reliées à une articulation est magnétisé selon un motif qui permet un mouvement ressemblant davantage à la marche.