Механики и материаловеды придумали новый принцип, который позволит мини- и микророботам передвигаться по воде. Он основан на эффекте электросмачивания, поэтому не требует участия движущихся частей. Ученые построили и первый аппарат, работающий на этом принципе.

По словам руководителя исследования Сун Квонь Чо (Sung Kwon Cho), профессора Инженерной школы Свенсона Питтсбургского университета (Swanson School of Engineering, University of Pittsburg), он придумал систему, когда прочитал статью своих коллег из Массачусетского технологического института (MIT, Massachusetts Institute of Technology) в журнале Nature. В статье описывался механизм передвижения по воде личинки кувшинкового листоеда pyrrhalta nymphaeae. Один из авторов статьи – профессор из лаборатории прикладной математики MIT Джон Буш, о работах которого Infox.ru уже рассказывал.

Принцип движения

Личинка для движения использует силу поверхностного натяжения воды. Когда насекомое покоится на поверхности воды, поверхностная сила действует на него равномерно со всех сторон и ее суммарное влияние в горизонтальном направлении нулевое. Однако когда личинка изгибается, поднимая «хвост», то направление силы, действующей сзади, меняется, в то время как спереди остается прежним. Результирующая сила толкает тело листоеда вперед.

Ученые из Питтсбурга позаимствовали у pyrrhalta только принцип плавания – несимметричность силы поверхностного натяжения. А вот механизм применили совсем иной: вместо движения хвоста задействовали эффект электросмачивания. Суть эффекта в том, что смачиваемость некоторых гидрофобных, то есть отталкивающих воду, поверхностей увеличивается при наличии электрического поля. Значит, если резко и при этом локально изменять электрическое поле на поверхности крохотного судна, то можно изменить и силу поверхностного натяжения, действующую на этот участок. Если же равновесие сместится, то объект получит двигательный импульс.

Как сделать мини-лодку

Профессор Чо в команде с аспирантами Сан Куг Чуном (Sang Kug Chung) и Кюнцзю Рю (Kyungjoo Ryu) сделал из пластика модельную мини-лодку длиной 2,5 см. На заднюю стенку они нанесли электрод – двухмикронный слой меди и покрыли его тонким слоем диэлектрика, а затем пленкой гидрофобного материала (пленки диэлектрика и тефлона настолько тонкие, что выглядят прозрачными). К медному электроду они подвели тонкий же медный провод, по которому пустили переменный ток. Провод использовался легкий и тонкий -- толщиной в человеческий волос, так что на видеоролике его даже не видно. В ином случае он мог бы помешать движению лодки. С другого конца провод заземлили.

Эффект начал проявляться, когда напряжение достигло 90 В. И рос вплоть до напряжения в 140 В, после чего вышел на насыщение и больше не увеличивался. Периодическое наложение электрического поля действительно меняло угол смачивания тефлоновой поверхности водой, а значит, и направление силы поверхностного натяжения. Регулярно разрушая симметрию действия силы поверхностного натяжения на лодочку, экспериментаторы разогнали ее до скорости в 6 мм/с.

Чтобы придать лодке управляемость и маневренность, ученые поместили на ее стенки еще один электрод, только сбоку. И не в центре, а ближе к носу. Этот электрод играл роль руля. Если напряжение создавали с его помощью, результирующая силы поверхностного натяжения сообщала мини-лодке вращательный момент, заставляя ее крутиться со скоростью до 20 оборотов в минуту.

Команда механиков и материаловедов под руководством профессора Чо представила свою разработку в понедельник, 26 января, на Конференции микроэлектромеханических систем 2009 Института инженеров электричества и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers' 2009 Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) conference) в итальянском городе Сорренто.

Лодка-то маленькая, зато батарейки большие

По словам питтсбургских исследователей, разработанный ими принцип движения может пригодиться для создания автономных водоплавающих микро- и мини-роботов, эффективных и легких в обслуживании. Такие роботы, предполагает Чо, смогут бороздить просторы океанов, водохранилищ и других водоемов, собирая данные о температуре и составе воды. Питаясь от портативных батареек, радиоволн или солнечной энергии. Правда, как можно из крошечных батареек или некрупных массивов солнечных батареек, и уж тем более радиоволн, получить переменный ток напряжением в 100 В, а также где в водоемах можно заземлить провод, профессор не уточняет. Остается лишь надеяться, что следующие поколения лодок-личинок станут менее прожорливыми.