柔软的无金属磁铁为机器人提供动力并引导医疗植入物

该材料是第一种将碳基磁性分子以化学方式结合到凝胶分子网络上的材料，为软机器人创造了一种灵活、寿命长的磁铁。描述该材料的研究今天发表在《Matter》杂志上。

用柔性材料制造机器人可以让它们以独特的方式扭曲、处理精致的物体并探索其他机器人无法做到的地方。例如，深海的压力会压碎更坚硬的机器人，或者可能损坏人体的敏感组织。

“如果你让机器人变软，你需要想出新的方法来赋予它们动力并让它们移动，以便它们能够工作，”机器人研究所附属材料科学与工程助理教授AbdonPena-Francesch说。密歇根大学和该研究的通讯作者。

如今的原型通常通过液压或机械线移动，这要求机器人连接到电源或控制器，这也限制了它们的移动范围。磁铁可以释放这些机器人，使它们能够通过磁场移动。

然而，传统的金属磁体也带来了其自身的复杂性。它们可能会降低软机器人的灵活性，并且对于某些医疗应用来说毒性太大。

这种新型凝胶可能是医疗手术的无毒替代品，对磁铁化学结构的进一步修改可以帮助其在环境和人体中降解。这种可生物降解的磁体可用于胶囊中，引导至身体的目标位置以释放药物。

“如果这些材料可以在你的体内安全降解，你就不必在以后通过另一次手术来取回它们，”佩纳-弗朗西奇说。“这仍然是相当具有探索性的，但这些材料有一天可以实现更新、更便宜的医疗手术。”

该团队的凝胶仅由碳基分子组成。关键成分是TEMPO，这是一种具有“自由”电子的分子，该电子不与原子键内的另一个电子配对。凝胶中每个不成对的TEMPO电子的自旋在磁场下对齐，从而将凝胶吸引到其他磁性材料上。

凝胶中额外的“交联分子”就像一个框架，将TEMPO分子连接到固体网络结构，同时在TEMPO电子周围形成一个保护笼。该笼子可以防止不成对的电子形成键，从而消除凝胶的磁性。

“早期的研究将这些小的磁性分子浸入凝胶中，但它们可能会从凝胶中泄漏出来，”材料科学与工程博士生、该研究的合著者张赞说。“通过将磁性分子整合到交联凝胶网络中，它们被固定在内部。”

AbdonPena-Francesch和材料科学与工程博士生ZaneZhang演示了磁场如何移动软机器人。实验室工作台上的电箱连接到电磁线圈，通电时会产生磁场。调整磁场强度会导致黑色软夹具中的手臂发生不同程度的弯曲，更强的磁场会导致更大的弯曲。

AbdonPena-Francesch和材料科学与工程博士生ZaneZhang演示了磁场如何移动软机器人。实验室工作台上的电箱连接到电磁线圈，通电时会产生磁场。调整磁场强度会导致黑色软夹具中的手臂发生不同程度的弯曲，更强的磁场会导致更大的弯曲。图片来源：密歇根工程学院的BrendaAhearn。

将TEMPO分子锁定在材料内部可确保凝胶不会将潜在有害的TEMPO分子泄漏到体内，并允许材料保留其磁性一年以上。

虽然比金属磁铁弱，但TEMPO磁铁足够坚固，可以用其他磁铁拉动和弯曲。其较弱的磁性也有一些优点——TEMPO磁铁可以通过MRI进行拍照，而较强的磁铁可能会扭曲MRI图像直至无用。

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