Vanddråber bliver til hydrobots ved at tilføje magnetiske perler

Ved hjælp af et stykke magnet, forskere har designet et simpelt system, der kan kontrollere bevægelsen af ​​en lille vandpyt, selv når det er på hovedet. Den nye strategi for væskemanipulation, beskrevet i journalen Cell Rapporter Fysisk Videnskab den 3. juni, kan have en bred vifte af applikationer, herunder rengøring af svært tilgængelige miljøer eller levering af små genstande.

Tidligere forsøg på at kontrollere bevægelsen af ​​væsker var ofte afhængige af specielle platforme. For eksempel, på en overflade, der har en sektion mere hydrofob end en anden, vand vil spontant bevæge sig væk fra området og strømme mod den mere hydrofile side. Forskere har også brugt ydre stimuli såsom varme eller lys til at styre væskens bevægelse. Men væsker i disse systemer har en tendens til at bevæge sig med en langsom hastighed, og de kan ikke stoppe tilfældigt under processen. Ud over, disse tilgange kræver sædvanligvis materialer og instrumenter, der er svære at skaffe, så de er for det meste begrænset til laboratoriebrug.

Yifan Si, avisens første forfatter og en postdoc ved City University of Hong Kong, designet et nyt apparat med sit team, der brugte en lille jernperle med en ekstremt hydrofil overflade. Når den sættes i en vanddråbe, perlen, som måler omkring 1 millimeter i diameter, vil tiltrække vand til at vikle rundt om det.

Holdet navngav den vandindkapslede perle Hydrobot, og de lægger det på en ekstremt hydrofob overflade. Ved hjælp af et stykke magnet placeret under overfladen, forskere kørte den hydrofile perle, såvel som vanddråben holdt sig til den, at bevæge sig i alle retninger og stoppe til enhver tid. Perlen kunne bevæge sig med så hurtigt som 2 meter i sekundet uden at miste vandet, der sidder fast på overfladen.

"Idéen med Hydrobot var inspireret af små fisk, der hoppede på og af lotusblade, " siger Si. "Vi har en dam på campus med mange lotusplanter, og nogle gange så jeg fisk blive fanget på disse store, hydrofobe blade. Når de formår at flygte og hoppe tilbage i dammen, vandpytten omkring fiskene på bladene bliver også taget væk."

Fiskeskæl er meget hydrofile og kan klæbe tæt til vand, især på en hydrofob overflade. Inspireret af dette naturfænomen, Si og hans team designede Hydrobot.

Mens 1-millimeter-perlen kun kunne bære en dråbe, Hydrobots kapacitet kan forbedres ved at øge perlens overfladeareal. Forskere eksperimenterede med en 2 millimeter perle og fandt ud af, at den kunne manipulere op til 1 milliliter vand, på størrelse med en lille vandpyt, at følge den eksterne magnets bevægelse.

"En fordel ved Hydrobot er, at de involverede materialer er let tilgængelige. Hvis en opgave kræver styring af en større mængde vand, vi kan simpelthen bruge flere perler til at øge overfladearealet, "Siger Si.

Holdet testede også Hydrobot på hovedet ved at placere vanddråben og perlen under overfladen og magneten på toppen. Magneten over overfladen formåede at tiltrække jernperlen, og den høje overfladeadhæsionskraft mellem perlen og vand forhindrede dråben i at falde, trods tyngdekraften. I det omvendte system, Hydrobot kunne stadig bevæge sig med en hastighed på 2 centimeter i sekundet.

Fordi Hydrobot kan styres med præcision, holdet foreslår, at enheden kan bruges til at opsamle støv og rense overflader. De gennemførte et konceptuelt eksperiment, hvor holdet dryssede blåfarvet støv på en ekstremt hydrofob overflade. Hydrobot rullede rundt, efter magnetens bevægelse nedenunder, at samle alle støvkornene. Til sidst, Hydrobot rensede overfladen uden skader og vendte tilbage til sit udgangspunkt.

Indtil nu, Hydrobot kræver en overflade med lav vedhæftning for at fungere, såsom den superhydrofobe brugt i eksperimenterne. Dette begrænser, hvor enheden kan bruges, men teamet planlægger at udforske andre applikationer i den virkelige verden.

"Hydrobot kan tilbyde nogle nye ideer til blødt robotdesign, "Si siger." I øjeblikket er de fleste bløde robotter bruger faste materialer. Selvom de er fleksible, de ville ikke være så fleksible som væsker. Væsker har også egenskaber, der kan være fordelagtige, herunder deres evne til at ændre form og fordampe. Med flere undersøgelser, disse funktioner kan gøre Hydrobot endnu mere alsidig."