Spiralformet bevægelse i et granulært medium af en sandrobot

At bevæge sig inden for granulære medier som sand er et trick, der ikke kun forekommer i science fiction-film. Sandfisk firben, som bor i ørkenen, er også i stand til at udføre denne opgave. For at gøre det, denne firben opfører sig som en fisk og bølger sin krop for at nå en tophastighed på to kropslængder i sekundet.

Fremdriften af ​​sandfiskeøgler har vist sig at skyldes, at modstanden mod sand er større for en bevægelse i en retning vinkelret på kroppen end for en bevægelse i en længderetning. En sådan egenskab kaldes anisotrop friktion.

Langt fra ørkener og granulerede medier, andre organismer bruger sådanne anisotrope egenskaber af medierne for at drive sig selv frem. Dette er tilfældet for mikroorganismer i viskøse væsker. Som i sand, deres kroppe oplever en modstand pr. kropslængde, som er større for en vinkelret bevægelse end for en langsgående. Dette forklarer, hvorfor mange bakterier bølger deres hale for at drive i tyktflydende væsker som sandfisk i sand.

Imidlertid, at slå en hale er ikke den eneste bevægelsesmåde, der anvendes af bakterier til at bevæge sig i en tyktflydende væske. For eksempel, E. coli bruger rotationen af ​​en spiralformet hale til samme formål.

En sådan observation har vakt nysgerrighed hos et team af forskere ved fysikafdelingen ved University of Santiago i Chile. Francisco Melo, hvem leder holdet, spurgte sig selv:"Inducerer spiralrotation fremdrift i et granulært medium som i en viskøs væske?"

For at besvare spørgsmålet, Alejandro Ibarra, en ph.d. studerende involveret i dette projekt, forestillede sig et eksperiment for at studere den vandrette bevægelse af en helix, der roterer ind i et granulært medium. Forskerne placerede en helix i en pool af korn og koblede den til en ekstern motor ved hjælp af en lille stang, der passerede gennem bassinets væg. Motoren var placeret på et lineært trin for at tillade dens vandrette bevægelse. Denne opsætning tillader rotation af helixen, mens den frigør dens vandrette bevægelse.

"Vi observerede, at når helixen var tilstrækkelig dybt ind i det granulære medium, dens rotation førte til en fremdrivende bevægelse langs den vandrette akse, " sagde Baptiste Darbois Texier, en postdoc ved Fysisk Institut.

Med denne opsætning, forskerne studerede helixens hastighed afhængigt af dens rotationshastighed, dens dybde ned i den granulerede pool og den eksterne belastning påført systemet. I øvrigt, de fremstillede helixer med forskellige geometrier og testede dem i den granulerede pool. Parallelt, de udviklede en teoretisk model til at beskrive den anisotrope friktion, der opleves af helixen baseret på en langsgående og tværgående friktionskoefficient. Modellen fanger deres eksperimentelle observationer og forudsiger det optimale design af helixen for at drive frem i et granulært medium.

Endelig, holdet udviklede en proof-of-concept-robot baseret på spiralformet fremdrift, der opererer i granulært materiale. Robothovedet indeholder et lille batteri og en lillebitte motor, der sikrer rotationen af ​​den spiralformede hale. Designet inkluderer også fire paller for at undgå rotation af hovedet frem for halen. Robotten viste sig at være meget robust til at drive gennem forskellige typer korn. Fordi aktiveringen af ​​denne sandrobot er baseret på en simpel motor, det er meget lettere at implementere end dem, der gengiver sandfiskfirbens bølgende bevægelse. Dermed, denne undersøgelse baner vejen for en ny slags robot, der opererer i heterogene medier såsom sand eller tør sne.