Millimeter-scale flexible robots with programmable three-dimensional magnetization and motions

平面的 磁化 超细纤维 计算机科学 弯曲 磁性纳米粒子 磁铁 物理 平版印刷术 纳米技术 声学 材料科学 机械工程 光电子学 光学 磁场 复合材料 工程类 纳米颗粒 量子力学 计算机图形学(图像)
作者
Tianqi Xu,Jiachen Zhang,Mohammad Salehizadeh,Onaizah Onaizah,Eric Diller
出处
期刊:Science robotics [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:4 (29) 被引量:684
标识
DOI:10.1126/scirobotics.aav4494
摘要

Flexible magnetic small-scale robots use patterned magnetization to achieve fast transformation into complex three-dimensional (3D) shapes and thereby achieve locomotion capabilities and functions. These capabilities address current challenges for microrobots in drug delivery, object manipulation, and minimally invasive procedures. However, possible microrobot designs are limited by the existing methods for patterning magnetic particles in flexible materials. Here, we report a method for patterning hard magnetic microparticles in an elastomer matrix. This method, based on ultraviolet (UV) lithography, uses controlled reorientation of magnetic particles and selective exposure to UV light to encode magnetic particles in planar materials with arbitrary 3D orientation with a geometrical feature size as small as 100 micrometers. Multiple planar microrobots with various sizes, different geometries, and arbitrary magnetization profiles can be fabricated from a single precursor in one process. Moreover, a 3D magnetization profile allows higher-order and multi-axis bending, large-angle bending, and combined bending and torsion in one sheet of polymer, creating previously unachievable shape changes and microrobotic locomotion mechanisms such as multi-arm power grasping and multi-legged paddle crawling. A physics-based model is also presented as a design tool to predict the shape changes under magnetic actuation.
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