Vieną rudenį vaikštinėdamas prie upelio Pekino botanikos sode, Kinijos Tsinghua universiteto mechanikos inžinerijos profesorius Yu Tian pastebėjo gražius šešėlius, kuriuos ant seklios upelio dugno meta vandens bėgikai. Jei praleidote bet kurį laiką vandenyje ar aplink jį, tikriausiai matėte, kaip šie vandens vabzdžiai sukasi užtrauktuku, atrodo, kad jie vaikšto arba greitai slysta nejudančio vandens paviršiumi.
Vandens žygeivių kojų šešėliai buvo suapvalinti arba „pusiau verpstės“tamsus plotas, apsuptas ryškių žiedų, o šešėlio dydis atrodė proporcingas vandens bėgiko dydžiui, todėl susimąsčiau, ar jų svoris gali būti pavaizduota jo kojų šešėlių srityje“, – sakė jis.
Tiano tyrimų grupė daugiausia dėmesio skiria paviršiaus jėgoms, sąsajų jėgoms ir reiškiniams, aptinkamiems gamtoje ir pramonėje, pvz., kieto ir kieto kūno sąsajoms, kietojo ir skysčio sąsajoms ir net skysčio ir skysčio sąsajoms. Jie tyrinėja gekonų, skruzdėlių, o dabar ir vandens bėgikų judėjimą.
Suintriguotas vandens bėgikų plūduriuojančių mechanizmų ir atnaujinto Archimedo principo, teigiančio, kad plūduriuojanti jėga yra lygi išstumto skysčio tūriui, Tianui pasirodė labai keista, kad net jei ex vivo tyrimai vyksta už vandens plaukiojančiojo organizmo ribų. kojos prispaudžiamos prie vandens paviršiaus, o tikslus ryšys tarp prispausto gylio ir vandens paviršiaus atraminės jėgos buvo išmatuotas elektronine svarstykle, niekas niekada nepranešė, kaip jėgos veikė šešias vandens žygeivių kojas (jo priekinė pora yra trumpa).
Dabar, kaip Tiano grupė šią savaitę praneša Applied Physics Letters iš AIP Publishing, jie sukūrė „šešėlių metodą“, pagrįstą šviesos lūžimu, kad galėtų atlikti šiuos matavimus.
Išlenktos skaidrios medžiagos gali efektyviai laužyti šviesą kaip fotoaparato objektyvas. Tokiu atveju, kai vandens paviršių iškraipo superhidrofobinės vandens žygeivių kojos, šviesa gali būti laužta ir po juo susidaro tamsus šešėlis, apsuptas ryškiu žiedu.
„Pagal šešėlio geometriją vandens paviršiaus kreivumą galima tiksliai atstatyti, kad būtų gautas atitinkamas vandens tūris ir lygiavertė plūduriavimo jėga, remiantis atnaujintu Archimedo principu“, – sakė Tianas. Norint atlikti šiuos matavimus, reikia tik žibintuvėlio, skaidraus vandens indo, vandens ir paprasto fotoaparato.
Komanda nustatė, kad tuo pačiu metu in situ matavimo jėgos veikia atskiras vandenyje vaikščiojančių nariuotakojų kojas natūralioje būsenoje ir yra labai svarbios nustatant jų judėjimo principus, kurie gali būti naudojami projektuojant pažangi biomimetinė robotika.
"Nors plačiai pripažįstama, kad vabzdžių plūduriavimo mechanizmas remiasi atnaujintu Archimedo principu, jų kojų plūduriavimo jėgas vis tiek reikia eksperimentiškai išmatuoti ir palyginti su nariuotakojų svoriu. Taigi būtina vienu metu gauti tikslius kelių mažų jėgų matavimus“, – paaiškino jis.
Naudojant komandos metodą, vandens bėgimo judėjimą galima lengvai ir tiksliai įvertinti. „Nors paprastai manoma, kad vaškinės medžiagos ir mikrostruktūra ant vandens bėgikų kojų išlaiko jas superhidrofobines, mes galėjome aiškiai nustatyti jų kojų judėjimą, stebėdami jų metamus šešėlius“, – sakė Tianas.
Komanda pastebėjo, kad „kai kojos šešėliai nėra „taisyklingi ir glotnūs“, vandens bėgikai pakelia koją, kad patrintų ją burna. Po šio „trinimo“šešėlis vėl atrodo lygus, “– tęsė jis. "Šešėlio forma atspindi kojų hidrofobiškumą, todėl šis trynimas yra procesas, skirtas atkurti jo superhidrofobiškumą."
Kalbant apie pritaikymą, „mūsų šešėlinis metodas gali jautriai ir tiksliai išmatuoti atskirų vandens bėgikų kojų jėgas“, – sakė Tianas."Ir tai gali būti išplėsta, kad būtų įtraukti kiti skysčiu paviršiumi vaikščiojantys nariuotakojai arba plūduriuojantys objektai, tokie kaip submilimetro skersmens dalelės ir miligramų mastelio vandens vabzdžiai." Didelės skiriamosios gebos metodas taip pat gali būti išplėtotas į patogius, nebrangius ir efektyvius silpnos jėgos paviršiaus matavimo prietaisus.
Ir nenustebkite, kad artimiausiu metu pamatysite pažangius bioninius robotus, pagrįstus mažų vabzdžių judėjimo principais – kai tik bus sukurti šių konstrukcijų ir jų valdymo bei maitinimo sistemų gamybos būdai.
„Šio principo plėtra į silpnos jėgos matavimą yra gana paprasta“, – pažymėjo Tianas. "Tam nereikės sudėtingų technikų."
Dabar komanda dirba siekdama „pasiekti labai mažų vandenyje vaikščiojančių nariuotakojų, tokių kaip vandens bėgikai, kurių ilgis yra apie 1 mm, judėjimo principus“, – pridūrė jis. „Mes taip pat tiriame mažiausią mūsų metodo jėgos skiriamąją gebą ir tikslumą – tai gali būti vienos molekulinės jėgos pikoniutonuose lygiu."
