Специалисты из Массачусетского технологического института разработали инновационный мягкий магнитный гидрогель, предназначенный для трехмерной печати микроскопических конструкций. В отличие от ранее существующих магнитных материалов, которые перемещаются как единое целое, данный новый гель позволяет отдельным элементам крошечного робота деформироваться и двигаться автономно под воздействием внешнего магнитного поля. Эта технологическая возможность стала результатом совместных усилий ученых Массачусетского технологического института, Швейцарской высшей технической школы Лозанны и Университета Цинциннати. Такие мягкие роботизированные системы, управляемые магнитами, могут найти применение в сфере здравоохранения для сбора микроскопических образцов или доставки лекарственных препаратов непосредственно к очагу заболевания.

Исследователи из Массачусетского технологического института отдают предпочтение магнитным воздействиям по сравнению с другими методами активации, такими как свет или химические вещества, благодаря их высокой скорости и удобству. Использование магнитных полей обеспечивает моментальное беспроводное управление на расстоянии, исключая необходимость в медленных химических реакциях или физическом контакте. Такой «программируемый» подход позволяет оперативно изменять характеристики материала для создания высокоточных микророботов с дистанционным управлением. В рамках исследования были изготовлены крошечные трехмерно-напечатанные структуры, напоминающие леденцы, выполненные из специального магнитного геля и имеющие размер меньше песчинки. Примечательно, что такая конструкция способна мгновенно трансформироваться в роботизированный захват при поднесении магнита.

Обычно для создания магнитных структур размером менее миллиметра применяют двухфотонную литографию – технологию трехмерной печати с высокой разрешающей способностью, использующую лазеры для затвердевания смолы. Однако стандартная 3D-печать магнитных материалов затруднена из-за того, что магнитные наночастицы, представляющие собой крошечные металлические фрагменты, рассеивают свет от лазера и вызывают их слипание. Это приводит к снижению мощности лазерного луча и ухудшению целостности структуры, часто делая невозможным создание сложных функциональных микроконструкций. Чтобы преодолеть эти трудности, в данной работе был использован двухэтапный процесс производства, позволяющий добавлять магнитные свойства после завершения 3D-печати. Сначала команда создает чистую полимерную структуру методом печати, а затем погружает ее последовательно в химические растворы для выращивания наночастиц оксида железа непосредственно внутри геля. Кроме того, плотность гелеобразной структуры можно регулировать путем изменения мощности лазера во время начальной печати; более высокая плотность обеспечивает меньшее поглощение ионов, что позволяет точно контролировать магнитные свойства отдельных компонентов микроскопического робота.

Для демонстрации точности материала трехмерно-напечатанные конструкции в форме леденцов были намагничены до различных уровней. Под воздействием обычного магнита от холодильника отдельные элементы реагировали с разной интенсивностью, что обеспечило согласованное движение всей группы «леденцов». Эта синхронизированная динамика имитировала движения смыкающихся пальцев, демонстрируя способность этих микроскопических структур функционировать как сложные роботизированные инструменты под дистанционным управлением. Исследователи также разработали бистабильный переключатель, используя прямоугольную структуру из геля длиной в миллиметр с магнитными «веслами» размером с эритроцит. Воздействие внешнего магнита заставляет эти весла менять положение для вытягивания и фиксации устройства либо во включенном, либо в выключенном состоянии, выполняя роль дистанционно управляемого тумблера. Данный механизм может быть использован как микроскопический клапан для регулирования потока жидкости внутри медицинских устройств.