科学家们最近发明了一种奇特的新材料,这种材料可以在液态和固态之间迅速转换,而这一切的功劳都归功于磁铁。研究人员展示了他们的新发明的潜力,通过将一个由这种材料制成的微型机器人困在一个笼子里,然后让它通过磁铁的力量自由转变形态,从笼子中逃脱。这个类似乐高积木的机器人可以将自己变成液体,流过笼子的栅栏,然后再重新成型。

研究人员表示,类似材料制造的机器人有朝一日可能被用于生物医学领域,作为一种新颖的方式,用于输送药物或清除难以到达的地方,比如胃部。
这种磁性驱动的微型机器人在过去几年里引起了越来越多的关注。微型和纳米机器人能够在人体内导航,为个性化和精准医学领域带来许多潜在的进展。然而,传统的控制和驱动系统难以缩小到适应这些微小机器人的框架。磁性驱动通过磁场实现,对生物组织安全且微创,同时在这些微小尺度上也能提供高度的可控性。
目前存在一个问题是,目前磁致动机器人往往由固体磁性弹性体制成,这种材料非常刚性,在形态适应性方面几乎没有提供任何帮助。而替代的液体材料系统虽然克服了这个障碍,但却牺牲了机械强度。
受海参的启发,研究人员设想制造一种可以微调硬度的机器人,以应对不同情境。他们希望给机器人赋予在液态和固态之间切换的能力,从而增加机器人的功能。
新的相变材料被命名为“磁活性相移物质”(Magnetoactive Phase Transitional Matter,简称MPTM)。这种材料由嵌入镓中的磁性钕铁硼微粒组成,而镓是一种熔点仅为29.8°C的金属。
MPTM的磁性粒子有两个作用,一是使材料对交变磁场产生反应,通过感应加热材料并引起相变。另一方面,磁性粒子还赋予机器人移动性,使其能够对磁场做出反应。
相变材料本身并不新鲜,但目前的选择在液相上相当黏稠,并且往往依赖电流、热枪或其他外部热源来触发相变。而有了MPTM,液相流动更加容易,并且一切都可以由磁场控制。
物理测试显示,MPTM材料在固相中具有很高的机械强度(21.2 MPa)和刚度(1.98 GPa),这意味着需要很大的力才能使材料不可逆地变形或断裂。在液态阶段,MPTM机器人可以以每秒15厘米的速度流动。
视频展示了机器人能够快速在其固态和液态之间切换,以逃脱狭小的空间。研究小组进行的其他移动性和力量测试还显示,机器人可以变成液体形态爬墙,并且可以分成两半,这两半可以一起工作来移动物体,然后再重新结合在一起。
研究人员还探讨了机器人在一些实际应用场景中的可能性。在工程测试中,机器人充当了一种“万能螺丝”,融化成液体形态填满螺丝插座,然后凝固成为硬螺丝。他们还提出,机器人可以用作无线电路组装的智能焊接机器人,通过渗入难以接触到的电路,同时充当金属焊料和导体。
在生物医学测试中,机器人在模型胃内展示了其在磁场的作用下的移动能力。机器人在模型胃中能够融化成液体形态,捕获外来碎片并将其带出器官。机器人还能够相反操作,通过融化来释放药物,然后再硬化以离开胃部。
尽管研究人员展示了这些机器人的潜在应用,但他们也指出,未来的研究需要更深入地探讨这些机器人在生物医学领域的实际应用,特别是在药物输送或移除异物方面。这些演示和概念的证明只是一部分,更多的研究和测试将是必要的。