Исследователи из Университета Ханьян разработали инновационный массив микростолбиков, способный к коллективным и быстрым магнитным колебаниям. Эта технология демонстрирует значительный потенциал для передовых приложений и была недавно описана в журнале ACS Nano.
Ведущим исследователем проекта является Чон Чжэ (JJ) Ви, доцент кафедры органической и наноинженерии Университета Ханьян. В работе также участвовали Чжун О Ким из Корейского научно-исследовательского института стандартов и науки (KRISS), а также исследователи из Университета Ханьян Джису Чон и Ходжун Мун, выступившие со-первыми авторами.
Вдохновением для разработки послужили коллективные движения в природе, в частности, скоординированная работа ресничек морских организмов, используемых для регуляции потоков жидкости, передвижения и адгезии. Существующие искусственные микроструктуры сталкиваются с трудностями при динамическом приведении в действие, требующем одновременно быстрого отклика и достаточно большой деформации, так как вязкоупругие задержки снижают амплитуду при высоких частотах.
Техническое решение основано на использовании твердомагнитных микрочастиц, внедренных в эластомер на основе силикона. Ключевой особенностью является запрограммированный профиль намагниченности этих микрочастиц. Изменение этого профиля позволяет генерировать контролируемые режимы деформации – простое изгибание и скручивание, а управление градиентом магнитного поля приводит к торсионным линейно- или точечно-симметричным колебаниям.
Новый дизайн с твердомагнитными частицами позволяет активировать массивы с помощью магнитных полей умеренной величины, совместимых с коммерческой магнитной мешалкой. В отличие от этого, традиционные подходы с использованием мягкомагнитных частиц, таких как железо (Fe), требуют значительно более сильной магнитной индукции для активации.
Разработанные массивы демонстрируют мгновенный отклик на вращающиеся магнитные поля, обеспечивая быстрые, синхронизированные колебания с высокой амплитудой деформации. Они способны поддерживать большую величину деформации на частотах до 15 Гц без задержки выходной частоты. Высота микростолбиков в экспериментальных образцах составляет 400 микрометров.
Устройства показывают исключительную скорость: пиковая скорость достигает 81,8 мм/с. Это соответствует отношению скорости к размеру более чем 200 длин тела в секунду. Важным преимуществом является автономная работа массивов, управляемых внешними магнитными полями без необходимости физического подключения.
Продемонстрированы практические применения в мягкой робототехнике и микрофлюидике. В микрофлюидике массивы использовались для направленной циркуляции жидкости (по или против часовой стрелки) с помощью торсионных колебаний, а ковры из мультимассивов микростолбиков служили микрофлюидными лопастями для генерации контролируемого потока и смешивания жидкостей в канале размером с чашку Петри, устраняя необходимость во внешних насосах или трубках. В качестве мягкого робота перевернутый массив микростолбиков функционировал как ноги, обеспечивая передвижение за счет коллективного торсионного движения, активируемого магнитной мешалкой под поверхностью.
Со-первый автор Джису Чон рассматривает этот прорыв как «формирующийся шаблон» для приложений, выходящих за рамки мягких актуаторов, предлагая внедрение других функциональных материалов для динамической фотоники и передачи энергии. Ходжун Мун, также со-первый автор, считает работу «значительным шагом вперед» в разработке автономных, высокопроизводительных микроактуаторов, подчеркивая ее актуальность для «мягкой робототехники и микрофлюидных технологий следующего поколения».
Изображение носит иллюстративный характер
Ведущим исследователем проекта является Чон Чжэ (JJ) Ви, доцент кафедры органической и наноинженерии Университета Ханьян. В работе также участвовали Чжун О Ким из Корейского научно-исследовательского института стандартов и науки (KRISS), а также исследователи из Университета Ханьян Джису Чон и Ходжун Мун, выступившие со-первыми авторами.
Вдохновением для разработки послужили коллективные движения в природе, в частности, скоординированная работа ресничек морских организмов, используемых для регуляции потоков жидкости, передвижения и адгезии. Существующие искусственные микроструктуры сталкиваются с трудностями при динамическом приведении в действие, требующем одновременно быстрого отклика и достаточно большой деформации, так как вязкоупругие задержки снижают амплитуду при высоких частотах.
Техническое решение основано на использовании твердомагнитных микрочастиц, внедренных в эластомер на основе силикона. Ключевой особенностью является запрограммированный профиль намагниченности этих микрочастиц. Изменение этого профиля позволяет генерировать контролируемые режимы деформации – простое изгибание и скручивание, а управление градиентом магнитного поля приводит к торсионным линейно- или точечно-симметричным колебаниям.
Новый дизайн с твердомагнитными частицами позволяет активировать массивы с помощью магнитных полей умеренной величины, совместимых с коммерческой магнитной мешалкой. В отличие от этого, традиционные подходы с использованием мягкомагнитных частиц, таких как железо (Fe), требуют значительно более сильной магнитной индукции для активации.
Разработанные массивы демонстрируют мгновенный отклик на вращающиеся магнитные поля, обеспечивая быстрые, синхронизированные колебания с высокой амплитудой деформации. Они способны поддерживать большую величину деформации на частотах до 15 Гц без задержки выходной частоты. Высота микростолбиков в экспериментальных образцах составляет 400 микрометров.
Устройства показывают исключительную скорость: пиковая скорость достигает 81,8 мм/с. Это соответствует отношению скорости к размеру более чем 200 длин тела в секунду. Важным преимуществом является автономная работа массивов, управляемых внешними магнитными полями без необходимости физического подключения.
Продемонстрированы практические применения в мягкой робототехнике и микрофлюидике. В микрофлюидике массивы использовались для направленной циркуляции жидкости (по или против часовой стрелки) с помощью торсионных колебаний, а ковры из мультимассивов микростолбиков служили микрофлюидными лопастями для генерации контролируемого потока и смешивания жидкостей в канале размером с чашку Петри, устраняя необходимость во внешних насосах или трубках. В качестве мягкого робота перевернутый массив микростолбиков функционировал как ноги, обеспечивая передвижение за счет коллективного торсионного движения, активируемого магнитной мешалкой под поверхностью.
Со-первый автор Джису Чон рассматривает этот прорыв как «формирующийся шаблон» для приложений, выходящих за рамки мягких актуаторов, предлагая внедрение других функциональных материалов для динамической фотоники и передачи энергии. Ходжун Мун, также со-первый автор, считает работу «значительным шагом вперед» в разработке автономных, высокопроизводительных микроактуаторов, подчеркивая ее актуальность для «мягкой робототехники и микрофлюидных технологий следующего поколения».