Drivs av kemiska förändringar i ytspänning, mikrorobotar som surfar över vätskegränssnitt leder forskare till nya idéer.

Tillbringa en eftermiddag vid en bäck i skogen, och du kommer troligen att märka vattenstridare-långbenta insekter som fördjupar vattenytan när de åker skridskor. Eller, doppa ena sidan av en tandpetare i diskmedel innan du lägger den i en skål med vatten, och imponera på din klassskola när tandpetaren försiktigt börjar röra sig över ytan.

Båda situationerna illustrerar begreppen ytspänning och framdrivningshastighet. Vid Michigan Technological University, maskiningenjör Hassan Masoud och doktorand -studenten Saeed Jafari Kang har använt lektioner från vattenstridaren och den såpiga tandpetaren för att utveckla förståelse för kemisk manipulation av ytspänning.

Deras fordon? Små surfrobotar.

"Under de senaste decennierna har det har varit många ansträngningar att tillverka miniatyrrobotar, särskilt simrobotar, "sa Masoud, biträdande professor vid avdelningen för maskinteknik-mekanik. "Mycket mindre arbete har gjorts på små robotar som kan surfa i gränssnittet mellan vatten och luft, vad vi kallar flytande gränssnitt, där väldigt få robotar kan driva sig själva. "

Utöver de uppenbara konsekvenserna för framtida Lucasfilm-droider avsedda för havsplaneter (C-H2O?), vad är de praktiska tillämpningarna för surfrobotar?

"Att förstå dessa mekanismer kan hjälpa oss att förstå kolonisering av bakterier i en kropp, "Masoud sa." Surfrobotarna kan användas i biomedicinska applikationer för kirurgi. Vi utvecklar potentialen i dessa system. "

Jakt på svar och Marangoni -effekten

Under hans doktorandstudier och postdoc -utnämning, Masoud forskade för att förstå hydrodynamiken hos syntetiska mikroroboter och de mekanismer genom vilka de rör sig genom vätska. Medan du hjälper en kollega med ett experiment, Masoud gjorde en observation han inte kunde förklara. En aha! ögonblicket kom kort därefter.

"Under ett samtal med en fysiker, det gick upp för mig att det vi hade observerat då berodde på frisläppandet av en kemisk art som förändrade ytspänningen och resulterade i rörelse av partiklar som vi observerade, Sa Masoud.

Denna kunskap har fått Masoud att fortsätta analysera framdrivningsbeteendet hos diminutiva robotar - bara flera mikron i storlek - och Marangoni -effekten, vilket är överföring av massa och momentum på grund av en gradient av ytspänning vid gränsytan mellan två vätskor. Förutom att fungera som en förklaring till tårar av vin, Marangoni -effekten hjälper kretstillverkarna att torka kiselskivor och kan appliceras för att odla nanorör i beställda matriser.

För Masouds syften, effekten hjälper honom att designa surfrobotar som drivs av att manipulera ytspänningen kemiskt. Detta löser ett kärnproblem för vår inbillade C-H2O:Hur skulle en droid driva sig över vattenytan utan motor och propeller?

Detaljerad i forskningsresultat som nyligen publicerats i tidskriften Fysiska granskningsvätskor , Masoud, Jafari Kang och deras medarbetare använde experimentella mätningar och numeriska simuleringar för att visa att mikrorobot -surfarna driver sig i riktning mot lägre ytspänning - i motsats till den förväntade riktningen.

"Vi upptäckte att undertryck är den främsta bidragsgivaren till den vätskekraft som surfaren upplever och att denna sugkraft huvudsakligen är ansvarig för den omvända Marangoni -framdrivningen, "Sa Masoud." Våra resultat banar väg för att designa miniatyrsurfrobotar. Särskilt, att veta att framdrivningsriktningen ändras genom en förändring i den omgivande gränsen kan utnyttjas för att designa smarta surfare som kan känna sin miljö. "

Stabilitetsstudier på horisonten

Medan Masouds arbete fokuserade på att förstå hur mikrorobotar kemiskt kan manipulera sin miljö för att skapa framdrivning, framtida studier kommer att nollställa stabiliteten hos dessa små surfare. Under vilka förhållanden är de stabila? Hur interagerar flera surfare med varandra? Interaktionerna kan ge insikt i den svärmdynamik som vanligtvis ses hos bakterier.

"Vi har precis repat ytan för att lära oss de mekanismer genom vilka surfare - och andra manipulatorer av ytspänning - rör sig, "Säger Masoud." Nu bygger vi förståelse för hur man kan styra deras rörelse. "