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适用于软机器人应用的立方体形磁性积木山下达郎

2022年06月28日

适用于软机器人应用的立方体形磁性积木

ETH科学家已经开发出可以组装成二维形状并受外部磁场控制的立方体形状的磁性积木。它们可用于软机器人应用。

如果您曾经尝试将几个非常坚固的小立方体磁铁彼此紧挨放在磁性板上，那么您会知道自己做不到

发生的情况是，磁体始终排列在从磁板垂直伸出的圆柱中。而且，几乎不可能将几行这些磁体连接在一起以形成平坦的表面。

那是因为磁铁是偶极的。相等的磁极彼此排斥，一个磁铁的北极始终将自身附着在南极上，反之亦然。这就解释了为什么它们形成一个列，使所有磁体对齐的方式相同。

现在，苏黎世联邦理工学院的科学家们已经成功地制造出了立方体形状的磁性构建块，这是有史以来第一次，可以连接在一起以形成二维形状。科学家称之为模块的新构件不是偶极而是四极，这意味着它们每个都有两个北极和两个南极。

在每个以塑料3D印刷的模块内部，有两个小的传统偶极磁体，它们的相等磁极彼此面对。

可以像小国际象棋棋盘一样组装这些积木，以形成任何二维形状。它的工作原理是这样的：因为南极和北极相互吸引，所以一个带有两个南极面向左右的四极构造块将在其四个侧面上分别吸引一个建筑物块旋转了90度，因此其北极位于左右两边。

基于这一原理，科学家们制作了边缘长度刚好超过2毫米的彩色模块。他们将它们组装成像素艺术表情符号，以演示模块可以做什么。

但是，可能的用例远远超出了这种头。ETH的Bradley Nelson教授小组的博士生，科学家最近在Science Robotics上发表的论文的主要作者Gu Hongri说：“我们对软机器人领域的应用特别感兴趣。”

四极杆和偶极杆在同一构件中

四极支配模块的磁性。但是，这要复杂得多，因为除了强四极杆外，科学家还在构造块中建立了一个弱偶极杆。

他们通过将模块中的小磁铁彼此以微小角度而不是平行的方式布置来实现这一点。

Gu解释说：“这使模块将自身对准外部磁场，就像指南针一样。” “有了可变的磁场，我们便可以将已经构建的形状移出模块。添加一些灵活的连接器，甚至可以构建可以通过磁场控制的机器人。”

外部磁场可用于控制模块的方向。此处显示的是电磁模块和柔性连接器的组合。

顾说，他们的工作最初是关于开发新原则的。他说，它与尺寸无关，这意味着没有理由无法开发出更小的四极模块。

科学家们还在研究如何借助磁场将模块用于将线性结构组合成多维对象。

这是将来可能在医学中使用的东西：可以想象的是，诸如支架之类的物体可以由包含此类模块的螺纹形成。可以通过一个相对较小的，微创的程序通过细小的开口将线插入体内，然后施加磁场将其组装到体内的最终多维结构中。