Ce que les petits robots de surf nous apprennent sur la tension de surface –

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  • Passez un après-midi près d’un ruisseau dans les bois et vous remarquerez probablement des marcheurs d’eau – des insectes à longues pattes qui creusent la surface de l’eau en patinant. Ou, trempez un côté d’un cure-dent dans du détergent à vaisselle avant de le placer dans un bol d’eau, et impressionnez votre élève alors que le cure-dent commence doucement à se déplacer sur la surface.

    Les deux situations illustrent les concepts de tension superficielle et de vitesse de propulsion. À l’Université technologique du Michigan, l’ingénieur en mécanique Hassan Masoud et l’étudiant au doctorat Saeed Jafari Kang ont appliqué les leçons du marcheur d’eau et du cure-dent savonneux pour développer une compréhension de la manipulation chimique de la tension superficielle.

    Leur véhicule? Petits robots de surf.

    «Au cours des dernières décennies, de nombreux efforts ont été déployés pour fabriquer des robots miniatures, en particulier des robots de nage», a déclaré Masoud, professeur adjoint au département de génie mécanique-génie mécanique. “Beaucoup moins de travail a été fait sur de petits robots capables de surfer à l’interface de l’eau et de l’air, ce que nous appelons les interfaces liquides, où très peu de robots sont capables de se propulser.”

    Au-delà des implications évidentes pour les futurs droïdes Lucasfilm conçus pour les planètes océaniques (C-H2O), quelles sont les applications pratiques des robots de surf?

    “Comprendre ces mécanismes pourrait nous aider à comprendre la colonisation des bactéries dans un corps”, a déclaré Masoud. “Les robots de surf pourraient être utilisés dans des applications biomédicales pour la chirurgie. Nous démêlons le potentiel de ces systèmes.”

    À la recherche de réponses et l’effet Marangoni

    Au cours de ses études doctorales et postdoctorales, Masoud a mené des recherches pour comprendre l’hydrodynamique des microrobots synthétiques et les mécanismes par lesquels ils se déplacent dans les fluides. En aidant un collègue dans une expérience, Masoud a fait une observation qu’il ne pouvait pas expliquer. Un aha! le moment est venu peu de temps après.

    “Lors d’une conversation avec un physicien, il m’est venu à l’esprit que ce que nous avions observé à l’époque était dû à la libération d’une espèce chimique qui a changé la tension superficielle et a entraîné le mouvement des particules que nous avons observées”, a déclaré Masoud.

    Cette connaissance a conduit Masoud à continuer d’analyser le comportement de propulsion de petits robots – de taille de quelques microns seulement – et l’effet Marangoni, qui est le transfert de masse et d’impulsion dû à un gradient de tension superficielle à l’interface entre deux fluides. En plus de servir d’explication aux larmes de vin, l’effet Marangoni aide les fabricants de circuits à sécher les plaquettes de silicium et peut être appliqué pour faire pousser des nanotubes dans des réseaux ordonnés.

    Pour les besoins de Masoud, l’effet l’aide à concevoir des robots de surf alimentés en manipulant chimiquement la tension de surface. Cela résout un problème fondamental pour notre C-H2O imaginé: comment un droïde se propulserait-il à la surface de l’eau sans moteur ni hélice?

    Détaillé dans les résultats de recherche publiés récemment dans la revue Fluides d’examen physique, Masoud, Jafari Kang et leurs collaborateurs ont utilisé des mesures expérimentales et des simulations numériques pour démontrer que les surfeurs microrobots se propulsent dans le sens de la tension superficielle inférieure – en sens inverse de la direction attendue.

    “Nous avons découvert que la pression négative est le principal contributeur à la force du fluide subie par le surfeur et que cette force d’aspiration est principalement responsable de la propulsion inverse de Marangoni”, a déclaré Masoud. «Nos découvertes ouvrent la voie à la conception de robots de surf miniatures. En particulier, le fait de savoir que la direction de la propulsion est modifiée par un changement de la frontière environnante peut être exploité pour concevoir des surfeurs intelligents capables de détecter leur environnement.

    Études de stabilité à l’horizon

    Alors que le travail de Masoud s’est concentré sur la compréhension de la façon dont les microrobots peuvent manipuler chimiquement leur environnement pour créer une propulsion, les études futures se concentreront sur la stabilité de ces minuscules surfeurs. Dans quelles conditions sont-ils stables? Comment plusieurs surfeurs interagissent-ils les uns avec les autres? Les interactions pourraient donner un aperçu de la dynamique des essaims couramment observée chez les bactéries.

    “Nous venons de gratter la surface de l’apprentissage des mécanismes par lesquels les surfeurs – et autres manipulateurs de tension superficielle – se déplacent”, a déclaré Masoud. “Maintenant, nous construisons une compréhension sur la façon de contrôler leur mouvement.”

    Source de l’histoire:

    Matériaux fourni par Université technologique du Michigan. Original écrit par Kelley Christensen. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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