Hvilke små surfrobotter lærer os om overfladespænding

Drevet af kemiske ændringer i overfladespænding, mikrorobotter, der surfer på tværs af flydende grænseflader, fører forskere til nye ideer.

Tilbring en eftermiddag ved en å i skoven, og du vil sandsynligvis bemærke vandstrygere-langbenede insekter, der fordyber vandets overflade, når de skøjter over. Eller, dypp den ene side af en tandstikker i opvaskemiddel, inden den lægges i en skål med vand, og imponere din klasseskole, da tandstikkeren forsigtigt begynder at bevæge sig over overfladen.

Begge situationer illustrerer begreberne overfladespænding og fremdriftshastighed. På Michigan Technological University, maskiningeniør Hassan Masoud og ph.d. elev Saeed Jafari Kang har anvendt lektioner fra vandstrideren og den sæbevandede tandstikker for at udvikle en forståelse af kemisk manipulation af overfladespændinger.

Deres bil? Små surfrobotter.

"I løbet af de sidste årtier har der har været mange bestræbelser på at fremstille miniaturerobotter, især svømmerobotter, "sagde Masoud, en adjunkt i mekanisk-ingeniør-mekanisk afdeling. "Der er blevet udført meget mindre arbejde med små robotter, der er i stand til at surfe ved grænsefladen mellem vand og luft, det vi kalder flydende grænseflader, hvor meget få robotter er i stand til at drive sig selv. "

Ud over de indlysende konsekvenser for fremtidige Lucasfilm-droider designet til havplaneter (C-H2O?), hvad er de praktiske anvendelser af surfing robotter?

"At forstå disse mekanismer kan hjælpe os med at forstå kolonisering af bakterier i en krop, "Masoud sagde." Surfrobotterne kan bruges i biomedicinske applikationer til kirurgi. Vi er ved at afdække potentialet i disse systemer. "

Jagt på svar og Marangoni -effekten

Under hans doktorgradsstudier og postdoc -ansættelse, Masoud forskede for at forstå hydrodynamikken i syntetiske mikrorobotter og de mekanismer, hvormed de bevæger sig gennem væske. Mens han hjalp en kollega med et eksperiment, Masoud lavede en observation, han ikke kunne forklare. En aha! øjeblik kom kort tid efter.

"Under en samtale med en fysiker, det gik op for mig, at det, vi havde observeret dengang, skyldtes frigivelsen af ​​en kemisk art, der ændrede overfladespændingen og resulterede i bevægelse af partikler, som vi observerede, "Sagde Masoud.

Denne viden har fået Masoud til at fortsætte med at analysere fremdriftsadfærden for diminutive robotter - kun flere mikron i størrelse - og Marangoni -effekten, som er overførsel af masse og momentum på grund af en gradient af overfladespænding ved grænsefladen mellem to væsker. Ud over at tjene som forklaring på tårer af vin, Marangoni -effekten hjælper kredsløbsproducenter med at tørre siliciumskiver og kan anvendes til at dyrke nanorør i bestilte arrays.

Til Masouds formål, effekten hjælper ham med at designe surfrobotter drevet af kemisk manipulation af overfladespænding. Dette løser et kerneproblem for vores forestillede C-H2O:Hvordan ville en droid køre sig hen over vandoverfladen uden motor og propel?

Detaljeret i forskningsresultater offentliggjort for nylig i tidsskriftet Fysisk gennemgangsvæske , Masoud, Jafari Kang og deres samarbejdspartnere brugte eksperimentelle målinger og numeriske simuleringer til at demonstrere, at mikrorobot -surferne driver sig selv i retning af lavere overfladespænding - i modsætning til den forventede retning.

"Vi opdagede, at undertryk er den primære bidragyder til den flydende kraft, som surferen oplever, og at denne sugekraft hovedsageligt er ansvarlig for den omvendte Marangoni -fremdrift, "Masoud sagde." Vores resultater baner vejen for at designe miniaturesurfrobotter. I særdeleshed, at vide, at fremdriftsretningen ændres ved en ændring i den omgivende grænse, kan udnyttes til at designe smarte surfere, der er i stand til at fornemme deres omgivelser. "

Stabilitetsstudier om horisonten

Mens Masouds arbejde fokuserede på at forstå, hvordan mikrorobotter kemisk kan manipulere deres miljø for at skabe fremdrift, fremtidige undersøgelser vil nulstille stabiliteten for disse små surfere. Under hvilke betingelser er de stabile? Hvordan interagerer flere surfere med hinanden? Interaktionerne kunne give indsigt i sværmdynamikken, der almindeligvis ses hos bakterier.

"Vi har lige skrabet overfladen af ​​at lære de mekanismer, hvorigennem surfere - og andre manipulatorer af overfladespænding - bevæger sig, "Masoud sagde." Nu opbygger vi forståelse for, hvordan de kan kontrollere deres bevægelse. "