Spinto da cambiamenti chimici nella tensione superficiale, i microrobot che navigano attraverso interfacce fluide portano i ricercatori a nuove idee.

Trascorri un pomeriggio vicino a un ruscello nel bosco, ed è probabile che noterai i rampicanti acquatici, insetti con le gambe lunghe che increspano la superficie dell'acqua mentre pattinano. O, immergere un lato di uno stuzzicadenti nel detersivo per piatti prima di metterlo in una ciotola d'acqua, e stupisci il tuo scolaro mentre lo stuzzicadenti inizia a muoversi delicatamente sulla superficie.

Entrambe le situazioni illustrano i concetti di tensione superficiale e velocità di propulsione. Alla Michigan Technological University, ingegnere meccanico Hassan Masoud e Ph.D. lo studente Saeed Jafari Kang ha applicato le lezioni del rampicante ad acqua e dello stuzzicadenti insaponato per sviluppare una comprensione della manipolazione chimica della tensione superficiale.

Il loro veicolo? Piccoli robot da surf.

"Negli ultimi decenni, ci sono stati molti sforzi per fabbricare robot in miniatura, soprattutto robot di nuoto, " disse Masud, un assistente professore nel dipartimento di ingegneria meccanica-meccanica. "Molto meno lavoro è stato fatto su minuscoli robot in grado di navigare all'interfaccia tra acqua e aria, quelle che chiamiamo interfacce liquide, dove pochissimi robot sono in grado di spingersi da soli."

Al di là delle ovvie implicazioni per i futuri droidi Lucasfilm progettati per i pianeti oceanici (C-H2O?), quali sono le applicazioni pratiche dei robot da surf?

"Comprendere questi meccanismi potrebbe aiutarci a capire la colonizzazione dei batteri in un corpo, " Ha detto Masoud. "I robot per il surf potrebbero essere utilizzati in applicazioni biomediche per la chirurgia. Stiamo svelando il potenziale di questi sistemi".

A caccia di risposte e l'effetto Marangoni

Durante i suoi studi di dottorato e la nomina postdoc, Masoud ha condotto una ricerca per comprendere l'idrodinamica dei microrobot sintetici e i meccanismi con cui si muovono attraverso i fluidi. Mentre aiutavo un collega con un esperimento, Masoud fece un'osservazione che non riusciva a spiegare. Un aha! momento è arrivato poco dopo.

"Durante una conversazione con un fisico, mi è venuto in mente che ciò che avevamo osservato allora era dovuto al rilascio di una specie chimica che ha cambiato la tensione superficiale e ha provocato il movimento delle particelle che abbiamo osservato, " disse Masud.

Questa conoscenza ha portato Masoud a continuare ad analizzare il comportamento di propulsione di piccoli robot - di dimensioni di pochi micron - e l'effetto Marangoni, che è il trasferimento di massa e quantità di moto dovuto a un gradiente di tensione superficiale all'interfaccia tra due fluidi. Oltre a servire come spiegazione per le lacrime di vino, l'effetto Marangoni aiuta i produttori di circuiti a seccare i wafer di silicio e può essere applicato per far crescere nanotubi in array ordinati.

Per gli scopi di Masoud, l'effetto lo aiuta a progettare robot da surf alimentati dalla manipolazione chimica della tensione superficiale. Questo risolve un problema fondamentale per il nostro immaginario C-H2O:come farebbe un droide a spingersi sulla superficie dell'acqua senza un motore e un'elica?

Dettagliato nei risultati della ricerca pubblicati di recente sulla rivista Fluidi per la revisione fisica , Masud, Jafari Kang e i loro collaboratori hanno utilizzato misurazioni sperimentali e simulazioni numeriche per dimostrare che i surfisti di microrobot si spingono nella direzione della tensione superficiale inferiore, al contrario della direzione prevista.

"Abbiamo scoperto che la pressione negativa è il principale contributore alla forza fluida sperimentata dal surfista e che questa forza di aspirazione è principalmente responsabile della propulsione inversa Marangoni, " Ha detto Masoud. "I nostri risultati aprono la strada alla progettazione di robot da surf in miniatura. In particolare, sapere che la direzione della propulsione è alterata da un cambiamento nel confine circostante può essere sfruttato per progettare surfisti intelligenti in grado di percepire il loro ambiente".

Studi di stabilità all'orizzonte

Mentre il lavoro di Masoud si è concentrato sulla comprensione di come i microrobot possono manipolare chimicamente il loro ambiente per creare propulsione, studi futuri si concentreranno sulla stabilità di questi piccoli surfisti. In quali condizioni sono stabili? In che modo più surfisti interagiscono tra loro? Le interazioni potrebbero fornire informazioni sulle dinamiche dello sciame comunemente osservate nei batteri.

"Abbiamo appena scalfito la superficie dell'apprendimento dei meccanismi attraverso i quali i surfisti e altri manipolatori della tensione superficiale si muovono, " Ha detto Masoud. "Ora stiamo costruendo la comprensione verso come controllare il loro movimento."