מדענים מסין פיתחו חומר מגנטי שנדבק לחלקיקים בגודל מילימטרי, ומאפשר לשלוט בהם מרחוק ואפילו "לתכנת" אותם מחדש

רובוטים זעירים, בגודל של מילימטרים בודדים, יכולים לשמש במגוון יישומים רפואיים, מחקריים ותעשייתיים. רובוט שמיועד לפעול בסביבות מורכבות, גמישות וצפופות כמו הרקמות האנושיות חייב להתאים היטב לסביבה שאליה הוא מיועד להגיע, לנהל בה יחסי גומלין עם אובייקטים אחרים בתוך מרחב מוגבל ולהיות קטן מספיק כדי לתמרן במקומות צרים.

קבוצת חוקרים מסין פיתחה לאחרונה שיטה שמאפשרת להפוך חפצים דוממים למילי-רובוטים, כלומר לשלוט בתנועתם של עצמים שגודלם מילימטרי. הם פיתחו תרסיס שיוצר על פני עצמים שכבה מגנטית דקה, וכך מאפשר לשלוט בהם מרחוק באמצעות מגנט. במאמר, שפורסם בכתב העת Science Robotics, מצוין שהתרסיס מורכב מתערובת של חלקיקי ברזל, מולקולות של החלבון גלוטן, חומר בשם פוליוויניל אלכוהול (PVA) ומים.

התרסיס ליד מספר חומרים מצופים בשכבה המגנטית | City University of Hong Kong
חוקרים פיתחו תרסיס שיוצר על פני עצמים שכבה מגנטית דקה, וכך מאפשר לשלוט בהם מרחוק באמצעות מגנט. התרסיס ליד מספר חומרים מצופים בשכבה המגנטית | City University of Hong Kong

מגנט מלאכותי

הסוד שבאמצעותו התרסיס יכול להפוך כמעט כל חפץ לרובוט הם חלקיקי הברזל. החלקיקים האלה, שגודלם כמיליונית המטר, הם אלה שמקנים את התכונות המגנטיות לשכבה.

ברזל הוא חומר פרומגנטי, כלומר חומר שכאשר מפעילים עליו שדה מגנטי חיצוני לפרק זמן מסוים בעוצמה מסוימת, הוא הופך בעצמו למגנט וממשיך ליצור שדה מגנטי קבוע במשך זמן מה גם אחרי שהשדה החיצוני כבה. הגלוטן בתרסיס משפר את התכונות המכניות של השכבה המגנטית, ומגדיל את הדביקות שלה שמאפשרת לחלקיקי הברזל להיצמד כמעט לכל חומר.

המרכיב הנוסף, PVA, הוא פולימר, כלומר מולקולה ארוכה מאוד שבנויה מיחידות חוזרות קטנות. היחידות החוזרות ב-PVA מסוגלות ליצור קשרי מימן בינן לבין עצמן ובינן לבין מים וכך להגדיל את צמיגות החומר ולהפוך אותו לדביק. לא בכדי מדובר במרכיב מרכזי בדבק הפלסטי. כך ה-PVA והגלוטן מעניקים יחד לתרסיס את היכולת להידבק לחפץ עליו הוא מרוסס. התערובת של כל החומרים יחד במים יוצרת נוזל צמיגי ודביק שמכסה באופן יעיל את שטח הפנים של החפץ.

בזמן הריסוס לחלקיקי הברזל אין שדה מגנטי אחיד, אך כאשר מפעילים עליהם שדה מגנטי חיצוני, הם מתיישרים בהתאם לשדה הזה ויוצרים אף הם שדה מגנטי באותו כיוון.

לאחר שהברזל בתרסיס התמגנט בכיוון הרצוי, החוקרים חיממו את החפץ המרוסס עד שהמים התנדפו והתירו על החומר שכבה מוצקה של ברזל מגנטי. בשלב הזה חלקיקי הברזל שהתמצקו אינם נעים יותר ביחס לאובייקט שהם דבוקים אליו. לכן, כאשר מפעילים עליהם שוב שדה מגנטי חיצוני הם ינועו בהתאם לכיוון השדה המגנטי הפנימי שלהם ויזיזו איתם את האזור בחפץ שאליו הם דבוקים. בנוסף, בהיעדר מים השכבה המגנטית מתקשה ואינה נדבקת יותר לעצמים אחרים – תנאי חשוב עבור רובוט שאמור לקיים קשרי גומלין עם סביבתו.

סרטון של כתב העת Science שמראה את התרסיס ואת ה"רובוטים" בפעולה:

נחש, עכביש ומדוזה

החוקרים המחישו את היכולת ליצור באמצעות התרסיס רובוטים מכמה חומרים, בכמה צורות ועם כמה אופני תנועה. בנוסף הם הצליחו לרסס בנפרד את החומר על אזורים שונים של האובייקט, כך שבכל אזור כיוון השדה המגנטי יהיה אחר.

הבחירה איזה חלק של האובייקט למגנט באמצעות התרסיס, כיוון השדה המגנטי שלו וכיוון השדה המגנטי החיצוני שמופעל עליו מכתיבים יחד איך העצם ינוע. החוקרים יצרו למשל רובוט חד-ממדי מכותנה שנע כמו נחש, רובוט דו-ממדי מתקפל כמו אוריגמי שנע בדומה לעכביש, רובוט קשתי שמסוגלת "ללכת" על משטחים, גליל פלסטיק שמתגלגל באופן נשלט ואפילו רובוט דמוי מדוזה שמסוגל להתקדם במים.

החוקרים הראו עוד שאפשר "לתכנת את הרובוט מחדש", כלומר לשנות את תפקודו בלי להשפיע על צורתו. אם מרטיבים את השכבה המגנטית במידה מספקת, חלקיקי הברזל יחזרו לנוע בחופשיות, כך שאפשר להפעיל שוב שדה מגנטי חיצוני שיגרום להם להתיישר בכיוון החדש הרצוי ואז לייבש מחדש כדי לקבע את חלקיקי הברזל. החוקרים הצליחו לגרום כך לרובוט חד-ממדי, שנע בתחילה בצורת נחש, כלומר בתנועה גלית במקביל  לפני הקרקע, לנוע אחרי התכנות מחדש בצורת גלים המאונכים לפני השטח.

כדי להמחיש את יכולתם של הרובוטים המגנטיים לפעול ולנוע בסביבות צפופות, בנו החוקרים דגמים של סביבות שונות שבהן הרובוטים עשויים לפעול בעתיד. הם יצרו למשלצינור רובוטי בצורת צנתר (קתטר), והראו כי אפשר לנווט אותו אפילו בפניות חדות בסביבה המדמה כלי דם צרים.

החוקרים גם הדגימו את היכולת לשחרר תרופה במקום נבחר באמצעות בניית כמוסה המכילה מים עם צבע ומורכבת משני חצאי כדור שהודבקו באמצעות התרסיס המגנטי. כמו כן הם הצליחו לנווט את הכמוסה בתוך בטן של ארנבת חיה, ובמקום הרצוי הם הפעילו שדה מגנטי משתנה שגרם לכמוסה להתפרק ולשחרר את הנוזל המדמה תרופה.

היכולת לפרק את השכבה המגנטית מרחוק באופן נשלט למרכיביה הבלתי מזיקים היא תכונה חיונית כשמבקשים לפעול בסביבה ביולוגית. המגוון הרב של המשטחים, הצורות ואופני התנועה שהתרסיס המגנטי מאפשר, בשילוב עם היכולת לתכנת מחדש ולפרק מרחוק עשויים להניב מגוון רחב של יישומים ביולוגיים ומחקריים שיתבססו עליו.