Innowacyjne roboty inspirowane… Cheerios
Wyobraź sobie, że procesy znane z prostych codziennych obserwacji, takich jak skupianie się płatków śniadaniowych Cheerios w misce mleka, mogą być źródłem inspiracji do tworzenia zaawansowanych technologicznie robotów. Brzmi jak science fiction? Nie do końca. Dzięki fenomenowi znanemu jako efekt Marangoniego, naukowcy z Uniwersytetu Harvarda opracowali maleńkie unoszące się na wodzie roboty, które mogą znaleźć szerokie zastosowanie w nauce i przemyśle.
Czym jest efekt Marangoniego?
Efekt Marangoniego zachodzi w sytuacji, gdy ciecz o niższym napięciu powierzchniowym szybko rozprzestrzenia się na powierzchni cieczy o wyższym napięciu powierzchniowym. W naturze fenomen ten wykorzystują chrząszcze z rodzaju Stenus, które przemierzają powierzchnię stawów, wydzielając specjalną substancję umożliwiającą szybki ruch. Zjawisko to jest także wykorzystywane w zabawkach napędzanych mydłem, które poruszają się po wodzie dzięki różnicy napięć.
Harvardzcy inżynierowie postanowili dogłębnie zbadać tę zasadę i sprawdzić, jak można wykorzystać ją w praktyce. Efekt Marangoniego, inspirowany zarówno naturą, jak i codziennymi doświadczeniami, stał się podstawą nowego projektu, którego celem było stworzenie mikrorobotów zdolnych do przemieszczania się na powierzchni cieczy.
Budowa i działanie robotów
Zespół badawczy, kierowany przez Jacksona Wilta, wykorzystał technologię druku 3D do stworzenia małych, okrągłych robotów o średnicy zaledwie jednego centymetra. Konstrukcja robotów była niezwykle prosta, ale zarazem funkcjonalna: w środku znajdowała się komora powietrzna, zapewniająca unoszenie się na wodzie, oraz miniaturowy zbiornik paliwa zawierający alkohol. Alkohol, mający niższe napięcie powierzchniowe niż woda, stopniowo wydobywał się z robota, generując napęd i umożliwiając ruch.
W eksperymentach zastosowano różne stężenia alkoholu – od 10% do 50%. Okazało się, że im wyższe stężenie, tym lepsze rezultaty. Na przykład, piwo jako paliwo sprawdzało się słabo, ale wódka lub absynt zapewniały imponującą wydajność. Prędkość maksymalna robotów wynosiła 6 cm na sekundę, a ich działanie utrzymywało się przez nawet 500 sekund – zaskakująco długi czas, jak na tak małe urządzenie.
Elastyczność konstrukcji i różnorodne zastosowania
Inżynierowie pokazali, że zmieniając liczbę otworów wydzielających alkohol oraz łącząc kilka jednostek w większe struktury, można tworzyć roboty zdolne do bardziej złożonych manewrów. Mogły one poruszać się po łukach, obracać w miejscu czy tworzyć różnorodne trajektorie ruchu. Naukowcy przyjrzeli się również tzw. efektowi Cheerios, który występuje, gdy pływające na wodzie obiekty przyciągają się nawzajem w wyniku powstania menisku – zakrzywienia powierzchni cieczy. Efekt ten otwiera nowe możliwości dla projektowania urządzeń zdolnych do współdziałania w grupach.
Według Wilta, takie prostsze roboty mogą być doskonałym narzędziem edukacyjnym. Demonstrując w praktyce zasady napięcia powierzchniowego, mogłyby pomóc uczniom i studentom lepiej zrozumieć zagadnienia fizyczne. Ale na tym nie kończy się ich potencjał.
Praktyczne zastosowania w przemyśle i środowisku
Miniaturowe roboty mają również potencjalne zastosowania praktyczne w środowisku i przemyśle. Mogłyby być używane do równomiernego rozprowadzania substancji chemicznych po powierzchni wody lub kontrolowanego ich uwalniania w określonym czasie. Przykładowo, w przypadku zanieczyszczonych zbiorników wodnych, roboty mogłyby automatycznie rozprowadzać środki chemiczne poprawiające jakość wody.
„Wyobraź sobie, że masz zbiornik wodny, w którym musisz uwolnić określoną substancję, lub proces chemiczny, gdzie materiał musi być równomiernie rozprowadzony” – mówi Wilt. Według niego, takie urządzenia mogą być nie tylko efektywne, ale i ekologiczne, dzięki zastosowaniu odparowującego paliwa, które nie zanieczyszcza środowiska, w przeciwieństwie do mydła czy innych substancji stosowanych w podobnych rozwiązaniach.
Przyszłość prostych rozwiązań w technologii
Tego typu badania pokazują, że nawet najprostsze zjawiska z codziennego życia mogą być fundamentem zaawansowanych technologii. Roboty inspirowane efektem Marangoniego to przykład, jak nauka czerpie z natury oraz naszego otoczenia. Ich potencjał jest ogromny – od zastosowań edukacyjnych po zaawansowane procesy przemysłowe. W połączeniu z ciągle rozwijającą się technologią druku 3D, możemy spodziewać się jeszcze bardziej innowacyjnych rozwiązań w niedalekiej przyszłości.
To, co dziś wydaje się niewielkim krokiem, w przyszłości może stać się podstawą większych i bardziej złożonych projektów. Przekształcanie prostych zasad w nowoczesne technologie to dowód na to, że nauka nieustannie rozwija swoje możliwości, otwierając nowe drzwi do innowacji.
