在树林里的一条小河上度过一个下午,您可能会注意到水ider-长足的昆虫在滑过时会破坏水面。或者,将牙签的一侧浸入洗洁精中,然后将其放入一碗水中,并在牙签逐渐开始在表面移动时给您的学龄前儿童留下深刻的印象。
两种情况都说明了表面张力和推进速度的概念中国机械网okmao.com。在密歇根理工大学,机械工程师Hassan Masoud和博士生Saeed Jafari Kang应用了水ider和肥皂牙签的课程来加深对表面张力化学处理的理解。
他们的车?小小的冲浪机器人。
机械工程工程机械学系助理教授Masoud表示:“在过去的几十年中,已经做出了很多努力来制造微型机器人,尤其是游泳机器人。“在能够在水和空气的界面(我们称为液体界面)上冲浪的微型机器人上所做的工作少得多,在这种机器人中,很少有能够自我推进的机器人。”
除了对未来为海洋行星(C-H2O)设计的Lucasfilm机器人的明显意义之外,冲浪机器人的实际应用还有哪些?
Masoud说:“了解这些机制可以帮助我们了解细菌在体内的定殖。” “冲浪机器人可以用于外科手术的生物医学应用。我们正在挖掘这些系统的潜力。”
寻找答案和马兰戈尼效应
在他的博士研究和博士后任命期间,Masoud进行了研究,以了解合成微型机器人的流体动力学及其在流体中移动的机理。在帮助同事进行实验时,Masoud做了一个他无法解释的观察。啊哈!此后不久便到了。
Masoud说:“在与物理学家的对话中,我当时发现,我们观察到的是由于释放了一种化学物质,改变了表面张力并导致了我们观察到的粒子运动。”
这些知识使Masoud继续分析了尺寸仅为几微米的微型机器人的推进行为以及Marangoni效应,这是由于两种流体之间的界面处的表面张力梯度导致的质量和动量传递。
Marangoni效应除了可以解释葡萄酒的眼泪外,还可以帮助电路制造商干燥硅晶片,并可以用于以有序阵列的形式生长纳米管。
出于Masoud的目的,这种效果有助于他设计通过化学方式控制表面张力的冲浪机器人。这解决了我们想象中的C-H2O的一个核心问题:没有引擎和螺旋桨的情况下,机器人如何在水面上推动自身?
Masoud,Jafari Kang及其合作者最近发表在《物理评论流体》(Physical Review Fluids)上的研究结果中有详细描述,他们使用实验测量和数值模拟来证明微型机器人冲浪者将自己推向较低表面张力的方向-与预期方向相反。
Masoud说:“我们发现负压是冲浪者承受的流体力的主要因素,而这种吸力主要是反向Marangoni推进力的原因。”
“我们的发现为设计小型冲浪机器人铺平了道路。特别是,知道推进方向会因周围边界的变化而改变,因此可以利用它来设计能够感知其环境的智能冲浪者。”
地平线上的稳定性研究
尽管Masoud的工作重点是了解微型机器人如何通过化学手段操纵环境来产生推进力,但未来的研究将把这些小冲浪者的稳定性归为零。它们在什么条件下稳定?多个冲浪者如何相互作用?相互作用可以提供对细菌中常见的群体动力学的见解。
马苏德说:“我们刚刚从表面上了解了冲浪者以及其他操纵表面张力的人运动的机制。” “现在,我们正在建立有关如何控制其运动的理解。”