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  • Science Robotics:能在軟機器人應用的立方體形磁性積木被研發

      ETH科學家已經開發出可以組裝成二維形狀并受外部磁場控制的立方體形磁性積木。它們可用于軟機器人應用。
     
      如果你曾經嘗試過將幾個非常堅固的小立方體磁鐵彼此緊挨放在磁性板上,那么你會知道自己做不到。因為會發生的情況是,磁鐵始終排列在從磁性板垂直伸出的圓柱中,而且,幾乎不可能將幾行這些磁體連接在一起以形成平坦的表面。那是因為磁鐵是偶極的,相等的磁極會彼此排斥,一個磁體的北極始終將自身附著到另一個磁體的南極,反之亦然,這就解釋了為什么它們形成一個列,使所有磁體對齊的方式相同。
     


     
      現在,蘇黎世聯邦理工學院的科學家們已經成功地制造出了立方體形狀的磁性構建塊,這是有史以來第一次,可以連接在一起以形成二維形狀。科學家將其稱為模塊的新構件不是偶極而是四極,這意味著它們每個都有兩個北極和兩個南極。在每個以塑料3D印刷的模塊內部,有兩個小的常規偶極磁體,它們的相等磁極彼此面對(見圖)。
     


     
      可以像小國際象棋棋盤一樣組裝這些積木,以形成任何二維形狀。它的工作原理是:由于南極和北極相互吸引,因此一個四極構造塊,其兩個南極面向左右,將在其四個側面上吸引一個建筑物 塊旋轉了90度,因此其北極位于左右兩邊。
     
      基于這一原理,科學家們制作了彩色模塊,其邊緣長度剛好超過2毫米。他們將它們組裝成像素藝術表情符號,以演示模塊可以做什么。但是,可能的用例遠遠超出了這種頭。ETH的Bradley Nelson教授小組博士生,科學家們最近在Science Robotics上發表論文,其主要作者Gu Hongri說:“我們對軟機器人領域的應用特別感興趣。”
      四極體控制著模塊的磁性。但是,四極桿和偶極桿在同一構件中要復雜得多,因為除了強四極桿外,科學家還在構造塊中構建了一個弱偶極桿。他們通過將模塊中的小磁鐵彼此以微小角度而不是平行的方式布置來實現此目的。
     
      Gu解釋說:“這導致模塊將自身對準外部磁場,就像指南針一樣。” “有了可變的磁場,我們就可以將已經構建的形狀移出模塊。添加一些靈活的連接器,甚至可以構建可以通過磁場控制的機器人。”
    外部磁場(中心和右圖)可用于控制模塊的方向。此處顯示的是電磁模塊和柔性連接器的組合。
    圖片來源:Gu H et al. Science Robotics 2019
     
      Gu說,他們的工作最初是關于開發新磁性原則的。他說,它與尺寸無關,這意味著沒有理由無法開發出更小的四極模塊。科學家們還在研究如何在磁場的作用下將模塊用于將線性結構組合成多維對象,這是將來可能在醫學中使用的東西:可以想象,諸如支架之類的物體可以由包含此類模塊的螺紋形成。可以通過一個相對簡單的,微創的程序通過細小的開口將線插入體內,然后施加磁場以將其組裝到體內的最終多維結構中。
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