Med hjälp av en bit magnet, forskare har utformat ett enkelt system som kan styra rörelsen av en liten vattenpöl, även när det är upp och ner. Den nya strategin för vätskemanipulation, beskrivs i tidningen Cellrapporter Fysisk vetenskap den 3 juni, kan ha ett brett spektrum av applikationer, inklusive rengöring av svåråtkomliga miljöer eller leverans av små föremål.

Tidigare försök att kontrollera vätskors rörelser förlitade sig ofta på speciella plattformar. Till exempel, på en yta som har en sektion mer hydrofob än en annan, vatten kommer spontant att röra sig bort från området och strömma mot den mer hydrofila sidan. Forskare har också använt externa stimuli som värme eller ljus för att styra vätskors rörelse. Men vätskor i dessa system tenderar att röra sig i låg hastighet, och de kan inte sluta slumpmässigt under processen. Dessutom, dessa tillvägagångssätt kräver vanligtvis material och instrument som är svåra att få tag på, så de är mestadels begränsade till laboratorieanvändning.

Yifan Si, tidningens första författare och en postdoktor vid City University of Hong Kong, designade en ny enhet med sitt team som använde en liten järnpärla med en extremt hydrofil yta. När du lägger i en vattendroppe, pärlan, som mäter cirka 1 millimeter i diameter, kommer att locka vatten att linda runt den.

Teamet döpte den vattenhöljda pärlan till Hydrobot, och de lägger den på en extremt hydrofob yta. Använd en bit magnet placerad under ytan, forskare körde den hydrofila pärlan, liksom vattendroppen vidhäftade den, att röra sig i alla riktningar och stanna vid varje given tidpunkt. Pärlan kunde röra sig så snabbt som 2 meter per sekund utan att förlora vattnet som satt fast på dess yta.

"Idén med Hydrobot inspirerades av små fiskar som studsar på och av lotusblad, "Si säger." Vi har en damm på campus med många lotusplantor, och ibland såg jag fisk fångas på dessa stora, hydrofoba löv. När de lyckas fly och hoppa tillbaka i dammen, vattenpölen runt fisken på löven kommer också att tas bort."

Fiskfjäll är mycket hydrofila och kan fästa tätt mot vatten, speciellt på en hydrofob yta. Inspirerad av detta naturfenomen, Si och hans team designade Hydrobot.

Medan 1-millimeterspärlan bara kunde bära en droppe, Hydrobots kapacitet kan förbättras genom att öka pärlans yta. Forskare experimenterade med en 2-millimeters pärla och fann att den kunde manipulera upp till 1 milliliter vatten, ungefär lika stor som en liten pöl, för att följa den externa magnetens rörelse.

"En fördel med Hydrobot är att de inblandade materialen är lättillgängliga. Om en uppgift kräver att kontrollera en större mängd vatten, vi kan helt enkelt använda fler pärlor för att öka ytan, " säger Si.

Teamet testade också Hydrobot upp och ner genom att placera vattendroppen och pärlan under ytan och magneten på toppen. Magneten ovanför ytan lyckades locka till sig järnpärlan, och den höga ytvidhäftningskraften mellan pärlan och vatten stoppade droppen från att falla, trots tyngdkraften. I det inverterade systemet, Hydrobot kunde fortfarande röra sig med en hastighet av 2 centimeter per sekund.

Eftersom Hydrobot kan styras med precision, teamet föreslår att enheten kan användas för att samla damm och rengöra ytor. De genomförde ett konceptuellt experiment där teamet stänkte blåfärgat damm på en extremt hydrofob yta. Hydrobot rullade runt, följa rörelsen av magneten under, att samla alla dammkorn. Så småningom, Hydrobot rengjorde ytan utan skador och återgick till sin utgångspunkt.

Än så länge, Hydrobot kräver en yta med låg vidhäftning för att fungera, såsom den superhydrofoba som användes i experimenten. Detta begränsar var enheten kan användas, men teamet planerar att ytterligare utforska andra verkliga tillämpningar.

"Hydrobot kan erbjuda några nya idéer till mjuk robotdesign, " Si säger. "För närvarande, de flesta mjuka robotar använder fasta material. Även om de är flexibla, de skulle inte vara lika flexibla som vätskor. Vätskor har också egenskaper som kan vara fördelaktiga, inklusive deras förmåga att ändra former och förånga. Med fler studier, dessa funktioner kan göra Hydrobot ännu mer mångsidig."