微型船“走”在水面上

微型 vessel 模仿昆虫幼虫,利用表面张力推进

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科学家从昆虫王国中获得灵感,建造了一种微型船,它利用表面张力,但没有移动部件,即可在水中航行。

拇指大小的 vessel 后部的微型电极中和了那里的水面张力,从而使前部的张力将其向前拉动。船侧面的电极使其能够顺时针转向。该设备以每秒 0.16 英寸(4 毫米)的速度移动,或大约每 1.5 分钟移动一英尺(30.5 厘米)。专家表示,这看起来可能很慢,但这与之前开发的依赖表面张力实现前进的设备处于同一水平。

研究人员表示,这项新技术可以很容易地进行修改,以容纳化学传感器和其他探测器,从而执行水和空气质量测试。它也可以配备摄像头,以执行监视任务。匹兹堡大学(Pitt)的机械工程师 Sung Kwon Cho 领导了这个项目,他说,尽管原型船依靠插入式电源运行,但未来的版本可以使用电池、射频波甚至微型太阳能电池板运行。

表面张力均匀地拉动物体,使其停留在弯月面(水的顶部,略微弯曲的层)中,就好像将物体悬浮在绷紧的橡皮筋网中一样。切断其中一些“橡皮筋”——无论是化学方法,使用称为表面活性剂的物质;机械方法,使用桨;还是在最新的研究中,使用电力——都允许物体在与断裂方向相反的方向移动。观看 vessel 的运行情况此处此处。(视频文件)

“在没有作用力的情况下,表面张力是对称的,但如果你改变力的方向,推进力就与干扰直接相关,”Cho 说。

工程师们长期以来一直了解表面张力作为水中推进手段的潜力。大自然中充满了这种运动的例子,包括水黾等昆虫。

Cho 的团队今天在意大利索伦托举行的 IEEE 电气和电子工程师协会赞助的会议上展示了他们的发明,他说他的灵感来自于叶甲虫幼虫利用表面张力在水中移动的视频图像。为了做到这一点,昆虫将自己弯曲成一个浅“U”形,破坏了包围它们的弯月面的张力对称性,并产生向前的推力。

由于表面张力对于大型物体来说是一种相对较弱的力,Cho 说他的 vessel 最长可能约为四英寸(10 厘米)。但是,它可以从目前的 0.8 英寸(2 厘米)长度缩小到 100 微米左右。(一微米是百万分之一米,或大约万分之四英寸。)

佐治亚理工学院的机械工程师 David Hu 称匹兹堡大学的发明是“一种非常优雅的设备,实际上可能具有实际应用价值”。

作为麻省理工学院的研究员,Hu 曾是一个团队的成员,该团队发明了 Robostrider,这是第一个机械水面行走器,它像水黾一样,利用表面张力坐在水面上并在水面上行走。但是,他说,Robostrider 和 相关设备 存在缺点,特别是许多精密的部件,而电动 vessel 则没有这些缺点。

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