Przełom w robotyce: Druk 3D magnetycznych mięśni otwiera nowe możliwości dla robotów origami

Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Karoliny Północnej (NC State) zaprezentowali innowacyjną metodę druku 3D, która stanowi znaczący krok naprzód w dynamicznie rozwijającej się dziedzinie robotyki miękkiej. Opracowanie to, ujawnione we wrześniu 2025 roku, polega na tworzeniu ultracienkich magnetycznych warstw, które pełnią funkcję elastycznych „magnetycznych mięśni”, integrowanych bezpośrednio w struktury robotów typu origami. Ta nowatorska technika rozwiązuje fundamentalny problem, który dotychczas ograniczał rozwój tego typu urządzeń. Eliminacja sztywnych, tradycyjnych magnetycznych elementów wykonawczych, które naruszały elastyczność i integralność delikatnych, miękkich powierzchni, jest kluczowym osiągnięciem tego projektu.

Nowe podejście technologiczne, które zostało opracowane z istotnym udziałem docenta Xiaomenga Fanga z Wilson College of Textiles, bazuje na zaawansowanym procesie współwytłaczania. Metoda ta polega na jednoczesnym formowaniu polimerów na bazie kauczuku wraz z precyzyjnie dobranymi cząstkami ferromagnetycznymi. Rezultatem jest niezwykle wytrzymała i wysoce elastyczna folia. Kiedy ta cienka folia zostaje strategicznie umieszczona w krytycznych punktach robota origami, staje się zdolna do generowania precyzyjnie kontrolowanego ruchu pod wpływem zewnętrznych pól magnetycznych. Co najważniejsze, zachowuje przy tym naturalną podatność i miękkość całej struktury, co jest niezbędne w aplikacjach biomedycznych. W skład zespołu badawczego, który przyczynił się do tego przełomu, weszli również Sen Zhang, Yuan Li, Zimeng Li, Nabil Cheddadi, Peiqi Zhang oraz Ke Cheng.

Zespół badawczy z NC State zademonstrował praktyczny potencjał swojej technologii na przykładzie dwóch odmiennych modeli, z których oba wykorzystywały charakterystyczny wzór składania Miura-Ori. Pierwsza aplikacja koncentrowała się na nieinwazyjnym dostarczaniu leków. W trakcie rygorystycznych testów, przeprowadzonych w warunkach naśladujących środowisko wewnętrzne organizmu – symulowanym żołądku, czyli sferze z plastiku wypełnionej ciepłą wodą – robot był precyzyjnie kierowany do miejsca symulowanej zmiany wrzodowej przy użyciu zewnętrznego pola magnetycznego. Po dotarciu do celu i stabilizacji, dzięki aktywacji zewnętrznie przymocowanych miękkich warstw magnetycznych, urządzenie rozkładało się, umożliwiając kontrolowane i lokalne uwolnienie medykamentu. Taki mechanizm otwiera drogę do znacznie bezpieczniejszych i bardziej ukierunkowanych interwencji medycznych, minimalizując skutki uboczne.

Drugi model demonstracyjny wyraźnie pokazał zdolność do efektywnego ruchu pełzającego w trudnym terenie. Ten niewielki robot był w stanie pokonywać przeszkody o wysokości dochodzącej do 7 mm, co jest imponującym osiągnięciem dla miękkiego systemu. Manewr ten był możliwy dzięki cyklicznemu aktywowaniu i dezaktywowaniu zewnętrznego pola magnetycznego, co wywoływało naprzemienne kurczenie się i rozluźnianie jego magnetycznych „mięśni”. Ta niezwykła adaptacyjność w przemieszczaniu się, połączona z wytrzymałością, wyraźnie podkreśla wszechstronność i uniwersalność opracowanej technologii, wskazując na jej przydatność w środowiskach o złożonej topografii.

Jak podkreślił docent Xiaomeng Fang, opracowane przez nich magnetyczne mięśnie mogą znaleźć zastosowanie w szerokiej gamie różnorodnych konstrukcji origami, daleko wykraczających poza zaprezentowane prototypy. Odkrycie to otwiera zupełnie nowe perspektywy dla rozwiązywania skomplikowanych problemów inżynieryjnych i operacyjnych, zarówno w zaawansowanej biomedycynie (np. mikrochirurgia), jak i w wymagającej eksploracji kosmosu. Omawiana praca badawcza przenosi kontrolę nad miękkimi systemami robotycznymi na wyższy poziom precyzji i responsywności, gdzie każdy ruch jest bezpośrednią, natychmiastową i elastyczną reakcją na zewnętrzne, sterujące oddziaływanie magnetyczne.