Zdrowo przyciągający żel dla robota

„Miękkimi robotami”, urządzeniami i implantami medycznymi oraz metodami dostarczania leków nowej generacji wkrótce będzie można sterować za pomocą magnesu

Stanie się tak dzięki niezawierającemu metalu żelowi magnetycznemu opracowanemu przez naukowców z Uniwersytetu Michigan i Instytutu Inteligentnych Systemów Maxa Plancka w Stuttgarcie.

Materiał ten jest pierwszym, w którym cząsteczki na bazie węgla są chemicznie związane z siecią molekularną żelu, tworząc elastyczny i trwały magnes dla miękkiej robotyki. Badanie opisujące materiał opublikowano w czasopiśmie Matter .

Tworzenie robotów z elastycznych materiałów pozwala im wyginać się w unikalny sposób, obsługiwać delikatne przedmioty i eksplorować miejsca, których inne roboty nie mogą. Sztywniejsze roboty zostałyby zmiażdżone przez ciśnienie w głębinach oceanu lub mogłyby na przykład uszkodzić wrażliwe tkanki ludzkiego ciała.

– Jeśli zmiękczysz roboty, musisz znaleźć nowe sposoby na zapewnienie im mocy i umożliwienie im ruchu, aby mogły wykonywać pracę – powiedział Abdon Pena-Francesch, adiunkt w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii stowarzyszony z Instytutem Robotyki na Uniwersytecie z Uniwersytetu Michigan.

Dzisiejsze prototypy poruszają się zwykle za pomocą przewodów hydraulicznych lub mechanicznych, co wymaga podłączenia robota do źródła zasilania lub sterownika, co również ogranicza jego zasięg. Magnesy mogłyby uwolnić te roboty, umożliwiając ich poruszanie się za pomocą pól magnetycznych.

Konwencjonalne magnesy metalowe wprowadzają jednak własne komplikacje. Mogą zmniejszyć elastyczność robota i być zbyt toksyczne dla niektórych zastosowań w medycynie.

Nowy żel może stanowić nietoksyczną alternatywę dla operacji medycznych, a dalsze modyfikacje struktury chemicznej magnesu mogą pomóc w jego degradacji w środowisku i organizmie człowieka. Takie biodegradowalne magnesy można zastosować w kapsułkach kierowanych do wybranych miejsc ciała w celu uwolnienia leku.

– Jeśli te materiały mogą bezpiecznie rozłożyć się w organizmie, nie trzeba ich później odzyskiwać podczas kolejnej operacji – powiedziała Pena-Francesch. – To wciąż dość odkrywcze podejście, ale pewnego dnia te materiały mogą umożliwić nowsze i tańsze operacje medyczne.

Żel składa się wyłącznie z cząsteczek węgla. Kluczowym składnikiem jest cząsteczka posiadająca „wolny” elektron, który nie jest sparowany z innym elektronem wewnątrz wiązania atomowego. Spin każdego niesparowanego elektronu w żelu ustawia się pod wpływem pola magnetycznego które przyciąga żel do innych materiałów magnetycznych.

Dodatkowe „cząsteczki sieciujące” w żelu działają jak rama, która łączy cząsteczki TEMPO w solidną strukturę sieciową, tworząc jednocześnie klatkę ochronną wokół elektronów TEMPO. Klatka ta uniemożliwia niesparowanym elektronom tworzenie wiązań, które pozbawiłyby żel właściwości magnetycznych.

– Wcześniejsze badania wchłaniały te małe, magnetyczne cząsteczki w żel, ale mogły one wyciekać z żelu – powiedział Zane Zhang, doktorant w dziedzinie inżynierii i inżynierii materiałowej oraz współautor badania. – Integrując cząsteczki magnetyczne w usieciowaną sieć żelową powodujemy, że zostają one unieruchomione wewnątrz.

– Urządzenia medyczne wykorzystujące nasze magnesy można wykorzystać do dostarczania leków do docelowych lokalizacji oraz do pomiaru adhezji i mechaniki tkanek w przewodzie pokarmowym w badaniu MRI – powiedział Metin Sitti, były dyrektor Departamentu Inteligencji Fizycznej w Instytucie Inteligentnych Systemów Maxa Plancka i specjalista ds. korespondent autora badania.

Źródło: materiały Uniwersytetu Michigan, zdjęcie zajawka: Freepik