Impulsado por cambios químicos en la tensión superficial, Los microrobots que navegan a través de interfaces fluidas llevan a los investigadores a nuevas ideas.

Pasar una tarde junto a un arroyo en el bosque y es probable que observe zancudos de agua, insectos de patas largas que forman hoyuelos en la superficie del agua mientras patinan. O, sumerja un lado de un palillo en detergente para platos antes de colocarlo en un recipiente con agua, e impresione a su hijo cuando el palillo comience a moverse suavemente por la superficie.

Ambas situaciones ilustran los conceptos de tensión superficial y velocidad de propulsión. En la Universidad Tecnológica de Michigan, ingeniero mecánico Hassan Masoud y Ph.D. El estudiante Saeed Jafari Kang ha aplicado las lecciones del zancudo acuático y el palillo de dientes enjabonado para desarrollar una comprensión de la manipulación química de la tensión superficial.

¿Su vehículo? Pequeños robots de surf.

"Durante las últimas décadas, Ha habido muchos esfuerzos para fabricar robots en miniatura, especialmente robots nadadores, "dijo Masoud, profesor asistente en el departamento de ingeniería mecánica-ingeniería mecánica. "Se ha trabajado mucho menos en pequeños robots capaces de navegar en la interfaz del agua y el aire, lo que llamamos interfaces líquidas, donde muy pocos robots son capaces de impulsarse a sí mismos ".

Más allá de las obvias implicaciones para los futuros droides Lucasfilm diseñados para planetas oceánicos (¿C-H2O?), ¿Cuáles son las aplicaciones prácticas de los robots de navegación?

"Comprender estos mecanismos podría ayudarnos a comprender la colonización de bacterias en un cuerpo, ", Dijo Masoud." Los robots de surf podrían usarse en aplicaciones biomédicas para cirugía. Estamos desentrañando el potencial de estos sistemas ".

Buscando respuestas y el efecto Marangoni

Durante sus estudios de doctorado y postdoctorado, Masoud realizó una investigación para comprender la hidrodinámica de los microrobots sintéticos y los mecanismos por los que se mueven a través del fluido. Mientras ayuda a un colega con un experimento, Masoud hizo una observación que no pudo explicar. ¡Ajá! El momento llegó poco después.

"Durante una conversación con un físico, Se me ocurrió que lo que habíamos observado entonces se debió a la liberación de una especie química que cambió la tensión superficial y resultó en el movimiento de las partículas que observamos, "Dijo Masoud.

Ese conocimiento ha llevado a Masoud a seguir analizando el comportamiento de propulsión de robots diminutos, de solo varios micrones de tamaño, y el efecto Marangoni. que es la transferencia de masa y momento debido a un gradiente de tensión superficial en la interfaz entre dos fluidos. Además de servir de explicación a las lágrimas de vino, el efecto Marangoni ayuda a los fabricantes de circuitos a secar obleas de silicio y se puede aplicar para hacer crecer nanotubos en matrices ordenadas.

Para los propósitos de Masoud, el efecto le ayuda a diseñar robots de surf que manipulan químicamente la tensión superficial. Esto resuelve un problema central para nuestro C-H2O imaginado:¿Cómo se propulsaría un droide a través de la superficie del agua sin un motor y una hélice?

Detallado en los hallazgos de la investigación publicados recientemente en la revista. Fluidos de revisión física , Masoud, Jafari Kang y sus colaboradores utilizaron mediciones experimentales y simulaciones numéricas para demostrar que los surfistas de microrobot se impulsan en la dirección de menor tensión superficial, en sentido inverso a la dirección esperada.

"Descubrimos que la presión negativa es el principal contribuyente a la fuerza del fluido que experimenta el surfista y que esta fuerza de succión es la principal responsable de la propulsión inversa de Marangoni". ", Dijo Masoud." Nuestros hallazgos allanan el camino para diseñar robots de surf en miniatura. En particular, saber que la dirección de propulsión se ve alterada por un cambio en el límite circundante puede aprovecharse para diseñar surfistas inteligentes capaces de detectar su entorno ".

Estudios de estabilidad en el horizonte

Si bien el trabajo de Masoud se centró en comprender cómo los microrobots pueden manipular químicamente su entorno para crear propulsión, los estudios futuros se centrarán en la estabilidad de estos pequeños surfistas. ¿En qué condiciones son estables? ¿Cómo interactúan varios surfistas entre sí? Las interacciones podrían proporcionar información sobre la dinámica del enjambre que se observa comúnmente en las bacterias.

"Acabamos de arañar la superficie del aprendizaje de los mecanismos a través de los cuales los surfistas y otros manipuladores de la tensión superficial se mueven, ", Dijo Masoud." Ahora estamos construyendo entendimiento sobre cómo controlar su movimiento ".