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科學家從昆蟲王國中獲得靈感,建造了一種微型船,它利用表面張力,但沒有移動部件,即可在水中航行。
拇指大小的 vessel 後部的微型電極中和了那裡的水面張力,從而使前部的張力將其向前拉動。船側面的電極使其能夠順時針轉向。該裝置以每秒 0.16 英寸(4 毫米)的速度移動,或大約每 1.5 分鐘移動一英尺(30.5 釐米)。專家表示,這看起來可能很慢,但這與之前開發的依賴表面張力實現前進的裝置處於同一水平。
研究人員表示,這項新技術可以很容易地進行修改,以容納化學感測器和其他探測器,從而執行水和空氣質量測試。它也可以配備攝像頭,以執行監視任務。匹茲堡大學(Pitt)的機械工程師 Sung Kwon Cho 領導了這個專案,他說,儘管原型船依靠插入式電源執行,但未來的版本可以使用電池、射頻波甚至微型太陽能電池板執行。
表面張力均勻地拉動物體,使其停留在彎月面(水的頂部,略微彎曲的層)中,就好像將物體懸浮在繃緊的橡皮筋網中一樣。切斷其中一些“橡皮筋”——無論是化學方法,使用稱為表面活性劑的物質;機械方法,使用槳;還是在最新的研究中,使用電力——都允許物體在與斷裂方向相反的方向移動。觀看 vessel 的執行情況此處 和 此處。(影片檔案)
“在沒有作用力的情況下,表面張力是對稱的,但如果你改變力的方向,推進力就與干擾直接相關,”Cho 說。
工程師們長期以來一直了解表面張力作為水中推進手段的潛力。大自然中充滿了這種運動的例子,包括水黽等昆蟲。
Cho 的團隊今天在義大利索倫託舉行的 IEEE 電氣和電子工程師協會贊助的會議上展示了他們的發明,他說他的靈感來自於葉甲蟲幼蟲利用表面張力在水中移動的影片影像。為了做到這一點,昆蟲將自己彎曲成一個淺“U”形,破壞了包圍它們的彎月面的張力對稱性,併產生向前的推力。
由於表面張力對於大型物體來說是一種相對較弱的力,Cho 說他的 vessel 最長可能約為四英寸(10 釐米)。但是,它可以從目前的 0.8 英寸(2 釐米)長度縮小到 100 微米左右。(一微米是百萬分之一米,或大約萬分之四英寸。)
佐治亞理工學院的機械工程師 David Hu 稱匹茲堡大學的發明是“一種非常優雅的裝置,實際上可能具有實際應用價值”。
作為麻省理工學院的研究員,Hu 曾是一個團隊的成員,該團隊發明了 Robostrider,這是第一個機械水面行走器,它像水黽一樣,利用表面張力坐在水面上並在水面上行走。但是,他說,Robostrider 和 相關裝置 存在缺點,特別是許多精密的部件,而電動 vessel 則沒有這些缺點。