Их крошечный размер делает жизнь чрезвычайно трудной для плавающих микроорганизмов. Поскольку у их движения нет фактически импульса, разногласия между водой и их верхней оболочкой значительно замедляют их – во многом как попытка плавать через толстый мед. Вязкость среды также предотвращает формирование турбулентностей, что-то, что могло передать силу воде и таким образом вести пловца. Поэтому удар нитей в скоординированном подобном волне движении, которое бежит вдоль всего тела одноклеточного организма, подобного ногам многоножки.
Эти волны перемещают жидкость наряду с ними так, чтобы снабженное ресничками – имеющие размеры примерно 100 микрометров, т.е. одна десятая миллиметра, столь же толстого как человеческие волосы – переместились через жидкость.«Наша цель состояла в том, чтобы подражать этому типу движения с микророботом», говорит Стефано Паладжи, первый автор исследования в Институте Макса Планка Интеллектуальных Систем в Штутгарте, который также включал сотрудничающих ученых из Университетов Кембриджа, Штутгарта и Флоренции.
Фишер, который является также профессором для Физической Химии в Университете Штутгарта, заявляет, что было бы фактически невозможно построить механическую машину в шкале расстояний снабженного ресничками, которое также копирует ее движение, поскольку у этого должны были бы быть сотни отдельных приводов головок, не говоря уже об их контроле и энергоснабжении.Эластомеры на жидких кристаллах ведут себя как Палки МикадоИсследователи поэтому обычно обходят эти проблемы, проявляя внешние силы непосредственно на микропловце: такой как магнитное поле, которое используется, чтобы повернуть крошечный магнитный винт, например. «Это только производит ограниченную свободу передвижения», говорит Фишер.
То, что штутгартские исследователи хотели построить, однако, было типом универсального пловца, который будет способен к перемещению свободно через жидкость на независимой основе без внешних применяемых сил и без предопределенного темпа.Им удалось достигнуть этого с удивительно простым методом, используя так называемые эластомеры на жидких кристаллах в качестве плавающих тел.
Они изменяют форму, когда они выставлены свету или теплу. Как жидкий кристалл, они состоят из подобных пруту молекул, у которых первоначально есть параллельное выравнивание, подобное связке Палок Микадо прежде чем быть брошенным игроком. Молекулы связаны друг с другом, который предоставляет жидкому кристаллу определенную степень основательности, как резина.
Когда нагрето, палки теряют свое выравнивание, и это заставляет материал изменять свою форму, во многом как способ, которым Палки Микадо занимают больше места на земле, когда они брошены.Тепло было выработано учеными в Штутгарте в их экспериментах, выставив материал зеленому свету.
Свет также заставляет форму самих фактических молекул изменяться. У этих молекул есть химическая связь, которая действует как сустав.
Радиация заставляет подобную пруту молекулу в суставе сгибаться в форме U. Это служит, чтобы ухудшить молекулярный беспорядок, который заставляет материал расширяться еще больше. Материал очень быстро отвечает на включаемый и выключаемый свет.
Когда свет, который это выключило, материал, немедленно возвращается к его оригинальной форме.Выпячивание следует за светом вдоль плавающего телаИсследователи произвели два типа микророботов: один в форме удлиненного цилиндра, примерно один миллиметр длиной и приблизительно двести микрометров толщиной, и другой в форме крошечного диска about 50 micrometres thick и с диаметром двухсот или четырехсот микрометров.В первом эксперименте команда Фишера спроектировала полосатый образец света на цилиндрический робот при помощи микроскопа.
Они наблюдали выпячивание, формирующееся в освещенных областях. Они тогда позволили легкому образцу нестись через цилиндр, который побудил выпячивание также спускаться вдоль тела как волны. «Движение произведено роботами с внутренней части», подчеркивает Фишер.
Свет просто передает энергию пловцу, не проявляя силы вообще. Червь проходит подобным образом: это создает волны в своем теле, посредством чего кольцевое выпячивание и в длину выровняло пробег удлинений от одного конца тела червя к другому. Термин специалиста для этого – перистальтика.Перистальтическое движение, вызванное легким образцом, транспортирует жидкость вдоль тела микропловца, заставляя его переместиться в противоположное направление.
Таким образом микроробот достиг скорости приблизительно 2,1 микрометров в секунду и преодолел дистанцию 110 микрометров.Неизвестный диапазон движений за микропловцовПеер Фишер и его коллеги также продемонстрировали, что они могут управлять роботами с большой степенью гибкости.
Это вызвано тем, что в принципе любой легкий образец может быть спроектирован на пловцах. Исследователи производят образец, используя устройство микрозеркала, множество почти 800 000 крошечных зеркал, которые могут быть перемещены индивидуально.
Таким образом они спроектировали легкие образцы на дисковый робот и изменили направление так, чтобы микропловец следовал за прямоугольной траекторией.Они тогда заставили диск вращаться, проектируя легкий образец, напоминающий поклонника на его поверхности. Они даже преуспели в том, чтобы управлять двумя дисковыми роботами друг независимо от друга: один превращенный по часовой стрелке, другой против часовой стрелки. «Это означает, что широкий спектр движений возможен в том же самом микророботе, который был ранее неслыхан в этой области», подчеркивает Стефано Паладжи.«Другой важный вопрос состоял в том, могли ли бы наши пловцы быть сделаны еще меньшими», добавляет соавтор Эндрю Марк.
Теоретическое вычисление показало, что это должно быть возможно: меньшие микропловцы могли также самопродвинуть использующие движения, имеющие форму волны. Это – мотивация позади работы штутгартских исследователей: «Наша конечная цель должна подражать максимально тесно работе самой природы», говорит Фишер.