Aangedreven door chemische veranderingen in oppervlaktespanning, microrobots die over vloeiende interfaces surfen, leiden onderzoekers naar nieuwe ideeën.

Breng een middag door bij een beekje in het bos, en je zult waarschijnlijk schaatsenrijders opmerken - langbenige insecten die het wateroppervlak indeuken terwijl ze erover schaatsen. Of, dompel een kant van een tandenstoker in afwasmiddel voordat u deze in een kom met water plaatst, en maak indruk op je basisschoolleerling terwijl de tandenstoker zich zachtjes over het oppervlak begint te bewegen.

Beide situaties illustreren de concepten oppervlaktespanning en voortstuwingssnelheid. Aan de Michigan Technological University, werktuigbouwkundig ingenieur Hassan Masoud en Ph.D. student Saeed Jafari Kang heeft de lessen van de waterstrider en de zeepachtige tandenstoker toegepast om inzicht te krijgen in de chemische manipulatie van oppervlaktespanning.

Hun voertuig? Kleine surfrobots.

“De afgelopen decennia hebben er zijn veel pogingen gedaan om miniatuurrobots te fabriceren, vooral zwemmende robots, " zei Masoud, een assistent-professor in de afdeling werktuigbouwkunde-engineering mechanica. "Er is veel minder werk verricht aan kleine robots die kunnen surfen op het grensvlak van water en lucht, wat we vloeibare interfaces noemen, waar maar heel weinig robots zichzelf kunnen voortbewegen."

Afgezien van de voor de hand liggende implicaties voor toekomstige Lucasfilm-droids die zijn ontworpen voor oceaanplaneten (C-H2O?), wat zijn de praktische toepassingen van surfrobots?

"Het begrijpen van deze mechanismen kan ons helpen de kolonisatie van bacteriën in een lichaam te begrijpen, " zei Masoud. "De surfrobots zouden kunnen worden gebruikt in biomedische toepassingen voor chirurgie. We ontrafelen het potentieel van deze systemen."

Op zoek naar antwoorden en het Marangoni-effect

Tijdens zijn doctoraatsstudie en postdoc-aanstelling, Masoud deed onderzoek om de hydrodynamica van synthetische microrobots en de mechanismen waarmee ze door vloeistof bewegen te begrijpen. Terwijl hij een collega helpt met een experiment, Masoud deed een observatie die hij niet kon verklaren. Een aha! kort daarna kwam het moment.

"Tijdens een gesprek met een natuurkundige, het kwam bij me op dat wat we toen hadden waargenomen het gevolg was van het vrijkomen van een chemische soort die de oppervlaktespanning veranderde en resulteerde in beweging van deeltjes die we waarnamen, ' zei Masoud.

Die kennis heeft Masoud ertoe gebracht door te gaan met het analyseren van het voortstuwingsgedrag van kleine robots - slechts enkele micron groot - en het Marangoni-effect, dat is de overdracht van massa en momentum als gevolg van een gradiënt van oppervlaktespanning op het grensvlak tussen twee vloeistoffen. Naast het dienen als verklaring voor tranen van wijn, het Marangoni-effect helpt circuitfabrikanten om siliciumwafels te drogen en kan worden toegepast om nanobuisjes in geordende arrays te laten groeien.

Voor de doeleinden van Masoud, het effect helpt hem bij het ontwerpen van surfrobots die worden aangedreven door chemische manipulatie van de oppervlaktespanning. Dit lost een kernprobleem op voor onze ingebeelde C-H2O:hoe zou een droid zichzelf over het wateroppervlak voortstuwen zonder een motor en propeller?

Gedetailleerd in onderzoeksresultaten die onlangs in het tijdschrift zijn gepubliceerd Fysieke beoordeling Vloeistoffen , Masoud, Jafari Kang en hun medewerkers gebruikten experimentele metingen en numerieke simulaties om aan te tonen dat de microrobotsurfers zichzelf voortstuwen in de richting van een lagere oppervlaktespanning - in omgekeerde van de verwachte richting.

"We ontdekten dat negatieve druk de belangrijkste bijdrage levert aan de vloeistofkracht die de surfer ervaart en dat deze zuigkracht voornamelijk verantwoordelijk is voor de omgekeerde Marangoni-voortstuwing, " zei Masoud. "Onze bevindingen effenen de weg voor het ontwerpen van miniatuur surfrobots. Vooral, wetende dat de voortstuwingsrichting wordt gewijzigd door een verandering in de omringende grens, kan worden gebruikt voor het ontwerpen van slimme surfers die in staat zijn hun omgeving waar te nemen."

Stabiliteitsstudies aan de horizon

Terwijl het werk van Masoud zich richtte op het begrijpen hoe microrobots hun omgeving chemisch kunnen manipuleren om voortstuwing te creëren, toekomstige studies zullen zich richten op de stabiliteit van deze kleine surfers. Onder welke omstandigheden zijn ze stabiel? Hoe gaan meerdere surfers met elkaar om? De interacties kunnen inzicht geven in de zwermdynamiek die vaak wordt waargenomen bij bacteriën.

"We hebben net de oppervlakte bekrast met het leren van de mechanismen waardoor de surfers - en andere manipulatoren van oppervlaktespanning - bewegen, "Zei Masoud. "Nu bouwen we begrip op over hoe we hun bewegingen kunnen beheersen."