ИСТИНА

Основное внимание в проекте уделяется исследованию и разработке микророботов из анизотропных намагничивающихся материалов, управляемых однородным магнитным полем. Проблема создания магнитоуправляемых роботов очень популярна в современной науке. Однако большинство из представленных в литературе прототипов состоят из сложной совокупности разнонаправленных анизотропных намагничивающихся элементов, в том числе магнитотвердых, что значительно усложняет технологию их изготовления и методику теоретического описания. Кроме того, многие из них управляются неоднородным магнитным полем, создать сильный градиент которого на малом участке пространства весьма сложно и, как следствие, не представляется возможным значительно уменьшить размеры тела. Один из исследуемых в данном проекте магнитоуправляемых роботов имеет наиболее простую для изготовления конструкцию и представляет собой два сферических тела из анизотропного намагничивающегося эластомера, соединенных немагнитной сцепкой. Важной теоретической и экспериментальной задачей в этом случае является исследование силы взаимодействия указанных сферических тел во внешнем однородном магнитном поле в зависимости от ориентации магнитной анизотропии в телах. Использование для управления роботом однородного внешнего магнитного поля позволяет уменьшать размеры тел независимо от размеров электромагнитной установки. Кроме того, данный робот изготовлен из нетоксичных материалов, обладающих малой жесткостью, и не содержит внутри себя моторов, источников питания и твердых движущихся элементов, что позволяет использовать его в биомедицинских исследованиях. Анизотропные намагничивающиеся эластомеры, применяемые в предлагаемом роботе, представляют собой композитные материалы на основе силиконовых эластомеров с включениями ориентированных цепочечных структур ферромагнитных микро- и наночастиц. Они являются новыми «умными материалами», которые взаимодействуют с магнитным полем, изменяя при этом свою форму, свойства, а также вызывая движение тел. Магнитные свойства данных материалов зависят от микроструктур, которые образуют феррочастицы в образце силиконового эластомера, и исследование такой зависимости является важной задачей при проектировании роботов. В проекте магнитные свойства исследуются экспериментально, а также с применением искусственного интеллекта, обучаемого на совокупности полученных с микроскопа изображений микроструктур ферромагнитных частиц.

The main focus of the project is on the research and engineering of microrobots with anisotropic magnetizable materials controlled by a uniform magnetic field. The problem of creating magnetically controlled robots is very popular in modern science. However, most of the prototypes presented in the literature consist of a complex set of multidirectional anisotropic magnetizable elements, including magnetically hard ones, which significantly complicates the technology of their synthesis and the theoretical description methodology. In addition, many of them are controlled by a non-uniform magnetic field and very difficult to create a strong field gradient in a small area of space and, as a result, it is not possible to significantly reduce the body size. One of the magnetically controlled robots studied in this project has the simplest design for production and consists of two spherical bodies with anisotropic magnetizable elastomer stapled by a non-magnetic coupling. An important theoretical and experimental problem in this case is to study the interaction force of these spherical bodies in an external uniform magnetic field, depending on the magnetic anisotropy orientation in the bodies. Using a uniform external magnetic field to control the robot makes it possible to reduce the body size regardless of the electromagnetic installation size. In addition, this robot is made of non-toxic materials with low rigidity, and does not contain motors, power sources, or solid moving elements inside, which allows it to be used in biomedical research. The anisotropic magnetizable elastomers used in the proposed work are composite materials based on silicone elastomers with inclusions of oriented chain structures of ferromagnetic micro- and nanoparticles. They are new "smart materials" that interact with a magnetic field, changing their shape, properties, and causing bodies to move. The magnetic properties of these materials depend on the microstructures that form ferroparticles in a silicone elastomer sample, and the study of this dependence is an important problem in the engineering of robots. In the project, the magnetic properties are investigated experimentally, as well as using artificial intelligence trained on the images set of ferromagnetic particles microstructures obtained from a metallographic microscope.

1) Будут синтезированы образцы анизотропных намагничивающихся эластомеров – новых композитных сред, состоящих из силикона и ферромагнитных частиц, а также изготовлены тела различной формы из данных материалов с использованием 3D-принтера. Планируется изготовление анизотропных сферических тел с различной концентрацией частиц и различных диаметров, а также гантелеобразных тел, представляющих собой соединенные немагнитной сцепкой два сферических анизотропных тела. Для измерения магнитных свойств будут изготовлены цилиндрические образцы из анизотропных намагничивающихся эластомеров. 2) Магнитные свойства анизотропных намагничивающихся эластомеров будут исследованы экспериментально по специально разработанной методике (по измерению степени искажения приложенного однородного магнитного поля поверхностью тела). Будут определены оптимальные величины диаметра и длины цилиндрических образцов, необходимых для исследования магнитных свойств. Ожидается получение экспериментальных зависимостей магнитных параметров материала (магнитной проницаемости и параметра анизотропии) от величины магнитного поля для различных концентраций феррочастиц. Будет проведено сравнение с результатами выполненных по той же методике измерений магнитной проницаемости образцов изотропных намагничивающихся эластомеров с той же концентрацией частиц. 3) Будет определена связь между магнитными параметрами материала и микроструктурой, образуемой цепочками феррочастиц в образце (ориентация цепочек, их плотность и размер, расстояние между цепочками), для чего будет использована нейросеть, обученная на наборе изображений срезов образцов с известными свойствами. Срезы будут получены из цилиндрических образцов и изучены с помощью микроскопа. Ожидается создание нейронной сети, которая сможет с достаточной степенью точности предсказать магнитные параметры материала по изображению среза. 4) Будет исследована сила взаимодействия двух анизотропных намагничивающихся сферических тел в однородном магнитном поле в зависимости от ориентации вектора анизотропии в телах, для чего будет сконструирована экспериментальная установка. Также будет написана программа расчета данной силы при известных параметрах задачи (полученных в результате исследования магнитных свойств), которая позволит определить оптимальную конфигурацию направлений поля и векторов анизотропии для получения максимальной величины силы. Будет проведена оценка достаточности этой силы для отрыва тела от поверхности (что необходимо при проектировании микророботов), в том числе, в сравнении с силой взаимодействия аналогичных изотропных тел. 5) На основе полученных данных о силе взаимодействия анизотропных сферических тел будут изготовлены магнитоуправляемые роботы, представляющие собой два сферических тела из анизотропного намагничивающегося эластомера, соединенных немагнитной сцепкой. Ожидается обнаружить направленное движение роботов в переменном однородном магнитном поле, а также зафиксировать улучшенные характеристики движения по сравнению с роботом на основе изотропных намагничивающихся тел (например, увеличение скорости движения при тех же энергозатратах). Предполагается проведение исследования движения робота, в том числе построение зависимостей координаты центра масс от времени.

1) Руководитель проекта имеет значительный опыт создания намагничивающихся эластомеров, исследования их деформаций и реологических свойств. Например, деформации сферических тел в однородном магнитном поле теоретически исследовались в работе [V.A. Naletova, D.A. Pelevina, D.I. Merkulov et al. // Magnetohydrodynamics, 52 (3) (2016) 287-298], а деформации цилиндрических тел в неоднородном магнитном поле экспериментально исследовались в статье [Merkulov D.I. et al. // Magnetohydrodynamics, 55 (1/2)(2019) 125-132]. Вязкоупругие свойства намагничивающихся эластомеров изучены руководителем проекта в экспериментах на кручение цилиндрических образцов в однородном магнитном поле [Merkulov D.I. et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 470 (2019) 81-84]. 2) Руководителем проекта разработана методика определения магнитных параметров анизотропного намагничивающегося эластомера в эксперименте по определению силы, с которой неоднородное магнитное поле действует на сферическое тело [Demin A.A., Merkulov D.I. et al. // Magnetohydrodynamics, 55 (3) (2019) 347-352]. 3) Руководителем проекта совместно с коллегами была разработана теория взаимодействия двух анизотропных намагничивающихся тел в однородном магнитном поле. 4) Руководитель проекта имеет большой опыт исследования движения анизотропных намагничивающихся сферических тел в неоднородном магнитном поле [Меркулов Д.И. и др. // Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика, 1 (2023) 39-44; Меркулов Д.И. и др. // Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика, 3 (2024) 46-53]. 5) Руководителем проекта ранее был изготовлен и исследован робот в виде двух сферических изотропных намагничивающихся тел, соединенных упругой сцепкой [Merkulov D.I. et al. // Acta Astronautica, 181 (2021) 579-584]. 6) Численное исследование движения вышеуказанного изотропного робота было выполнено руководителем проекта совместно с коллегами в статье [Tkachenko E.A. et al. // Meccanica, 58 (2023) 357-369].