Impulsionado por mudanças químicas na tensão superficial, microrrobôs navegando em interfaces fluidas levam os pesquisadores a novas ideias.

Passe uma tarde perto de um riacho na floresta, e você provavelmente notará os peregrinos da água - insetos de pernas compridas que formam covinhas na superfície da água enquanto patinam. Ou, mergulhe um lado de um palito em detergente de louça antes de colocá-lo em uma tigela com água, e impressione seu aluno quando o palito começar a se mover suavemente pela superfície.

Ambas as situações ilustram os conceitos de tensão superficial e velocidade de propulsão. Na Michigan Technological University, engenheiro mecânico Hassan Masoud e Ph.D. o estudante Saeed Jafari Kang aplicou as lições do strider aquático e do palito de dente com sabão para desenvolver uma compreensão da manipulação química da tensão superficial.

Seu veículo? Pequenos robôs de surfe.

"Durante as últimas décadas, tem havido muitos esforços para fabricar robôs em miniatura, especialmente robôs nadadores, "disse Masoud, professor assistente do departamento de engenharia mecânica-engenharia mecânica. "Muito menos trabalho foi feito em pequenos robôs capazes de navegar na interface da água e do ar, o que chamamos de interfaces líquidas, onde muito poucos robôs são capazes de se propelir. "

Além das implicações óbvias para os futuros dróides Lucasfilm projetados para planetas oceânicos (C-H2O?), quais são as aplicações práticas dos robôs surfistas?

"Compreender esses mecanismos pode nos ajudar a entender a colonização de bactérias em um corpo, "Masoud disse." Os robôs de surfe podem ser usados ​​em aplicações biomédicas para cirurgia. Estamos desvendando o potencial desses sistemas. "

Em busca de respostas e o efeito Marangoni

Durante seus estudos de doutorado e consulta de pós-doutorado, Masoud conduziu pesquisas para entender a hidrodinâmica dos microrrobôs sintéticos e os mecanismos pelos quais eles se movem através do fluido. Enquanto ajudava um colega com um experimento, Masoud fez uma observação que não conseguiu explicar. Um aha! momento veio logo depois.

"Durante uma conversa com um físico, ocorreu-me que o que havíamos observado então foi devido à liberação de uma espécie química que mudou a tensão superficial e resultou no movimento das partículas que observamos, "Masoud disse.

Esse conhecimento levou Masoud a continuar analisando o comportamento de propulsão de robôs diminutos - apenas vários mícrons de tamanho - e o efeito Marangoni, que é a transferência de massa e momento devido a um gradiente de tensão superficial na interface entre dois fluidos. Além de servir de explicação para as lágrimas de vinho, o efeito Marangoni ajuda os fabricantes de circuitos a secar wafers de silício e pode ser aplicado para fazer crescer nanotubos em matrizes ordenadas.

Para os propósitos de Masoud, o efeito o ajuda a projetar robôs de surfe movidos pela manipulação química da tensão superficial. Isso resolve um problema central para nosso C-H2O imaginário:como um andróide se propeliria pela superfície da água sem um motor e uma hélice?

Detalhado em resultados de pesquisas publicadas recentemente na revista Fluidos de revisão física , Masoud, Jafari Kang e seus colaboradores usaram medições experimentais e simulações numéricas para demonstrar que os surfistas de microrrobôs se impulsionam na direção de menor tensão superficial - no reverso da direção esperada.

“Descobrimos que a pressão negativa é o principal contribuinte para a força do fluido experimentada pelo surfista e que essa força de sucção é a principal responsável pela propulsão reversa de Marangoni, "Masoud disse." Nossas descobertas abrem caminho para a criação de robôs de surfe em miniatura. Em particular, saber que a direção da propulsão é alterada por uma mudança no limite circundante pode ser aproveitado para projetar surfistas inteligentes capazes de sentir seu ambiente. "

Estudos de estabilidade no horizonte

Embora o trabalho de Masoud tenha se concentrado em entender como os microrrobôs podem manipular quimicamente seu ambiente para criar propulsão, estudos futuros irão se concentrar na estabilidade desses pequenos surfistas. Em que condições eles são estáveis? Como vários surfistas interagem uns com os outros? As interações podem fornecer informações sobre a dinâmica do enxame comumente vista em bactérias.

"Acabamos de arranhar a superfície para aprender os mecanismos pelos quais os surfistas - e outros manipuladores da tensão superficial - se movem, "Masoud disse." Agora estamos construindo um entendimento sobre como controlar seus movimentos. "