หุ่นยนต์
นักวิจัยพัฒนานักว่ายน้ำขนาดเล็กที่ท้าทายกฎของพลศาสตร์ของไหล
นักวิจัยจาก Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), มหาวิทยาลัย Liège และสถาบัน Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg สำหรับพลังงานหมุนเวียนได้พัฒนานักว่ายน้ำขนาดเล็กรุ่นใหม่ที่ท้าทายกฎของพลศาสตร์ของไหล นักว่ายน้ำสามารถใช้งานในด้านต่างๆ เช่น การดูแลสุขภาพ ซึ่งสามารถใช้ขนส่งยาผ่านทางเลือดได้
แบบจำลองของทีมประกอบด้วยเม็ดบีดสองเม็ดที่เชื่อมต่อกันด้วยสปริงเชิงเส้น และถูกขับเคลื่อนด้วยการสั่นแบบสมมาตรอย่างสมบูรณ์ ตามทฤษฎีบทของ Scallop สิ่งนี้ไม่ควรเกิดขึ้นในระบบจุลภาคของของไหล
การค้นพบของนักวิจัยได้รับการเผยแพร่ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น.
หอยเชลล์และนักว่ายน้ำ
หอยเชลล์แหวกว่ายในน้ำด้วยการตบกระดองเข้าด้วยกัน และในขณะที่หอยเชลล์กำลังเปิดเปลือกเพื่อโจมตีครั้งต่อไป หอยเชลล์ขนาดใหญ่จะขับเคลื่อนมันผ่านช่วงเวลาแห่งความเฉื่อย อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีบท Scallop จะใช้มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและความหนืดของของไหล
ตามทฤษฎีบท นักว่ายน้ำที่เคลื่อนไหวไปข้างหน้าหรือถอยหลังแบบสมมาตรหรือในทางกลับกัน คล้ายกับวิธีที่หอยเชลล์เปิดและปิดเปลือกของมัน มีแนวโน้มที่จะส่งผลให้มีการเคลื่อนไหวน้อยมาก
ดร. Maxime Hubert เป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกในกลุ่มของ Prof. Dr. Ana-Suncana Smith ที่สถาบันฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่ง FAU
ดร. ฮูเบิร์ตกล่าวว่า "การว่ายน้ำในน้ำนั้นยากพอๆ กับสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก พอๆ กับที่ว่ายน้ำผ่านน้ำมันดินสำหรับมนุษย์" "นี่คือสาเหตุที่สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวมีวิธีการขับเคลื่อนที่ค่อนข้างซับซ้อน เช่น การสั่นของขนหรือแฟลเจลลาที่หมุน"
ทีม FAU ร่วมมือกับนักวิจัยจาก University of Liège และสถาบัน Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy เพื่อพัฒนานักว่ายน้ำที่คล้ายกันซึ่งดูเหมือนจะไม่ถูกจำกัดโดยทฤษฎีบท Scallop โมเดลที่ค่อนข้างเรียบง่ายทำงานด้วยสปริงเชิงเส้นที่เชื่อมต่อลูกปัดขนาดต่างกันสองเม็ด นักว่ายน้ำขนาดเล็กยังสามารถเคลื่อนที่ผ่านของเหลวได้เมื่อสปริงขยายตัวและหดตัวอย่างสมมาตรภายใต้การย้อนเวลา
“เดิมทีเราทดสอบหลักการนี้โดยใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์” Maxime Hubert กล่าว 'จากนั้นเราก็สร้างแบบจำลองที่ใช้งานได้”
ทีมทดสอบแบบจำลองโดยวางลูกปัดเหล็กสองเม็ดซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่ร้อยไมโครเมตรบนพื้นผิวน้ำภายในจานเพาะเชื้อ การหดตัวของสปริงแสดงโดยแรงตึงผิวของน้ำ และสนามแม่เหล็กถูกใช้เพื่อให้เกิดการขยายตัวในทิศทางตรงกันข้าม ระบบนี้ทำให้ไมโครบีดส์ผลักกันเป็นระยะๆ
การใช้งานจริง
นักว่ายน้ำสามารถขับเคลื่อนตัวเองได้เนื่องจากขนาดของลูกปัดที่แตกต่างกัน
ดร. ฮูเบิร์ตกล่าวว่า “ลูกปัดขนาดเล็กจะตอบสนองต่อแรงสปริงได้เร็วกว่าลูกปัดขนาดใหญ่มาก สิ่งนี้ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวแบบอสมมาตรและลูกปัดขนาดใหญ่จะถูกดึงไปพร้อมกับลูกปัดขนาดเล็ก ดังนั้นเราจึงใช้หลักการของความเฉื่อย ความแตกต่างที่เราเกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างร่างกายมากกว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างร่างกายและน้ำ”
แม้ว่าระบบจะไม่เร็วอย่างไม่น่าเชื่อ แต่ระบบจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าประมาณหนึ่งในพันของความยาวลำตัวในแต่ละรอบการแกว่ง อย่างไรก็ตาม ปัจจัยที่น่าประทับใจและสำคัญที่สุดของระบบใหม่คือความเรียบง่ายของโครงสร้างและกลไก
ทีมงานกล่าวว่าระบบดังกล่าวสามารถใช้ในการพัฒนาหุ่นยนต์ว่ายน้ำขนาดเล็ก ซึ่งสามารถนำไปใช้ในโลกแห่งความเป็นจริงได้หลายอย่าง เช่น การดูแลสุขภาพ ตัวอย่างเช่น สามารถใช้ในการขนส่งยาได้
“หลักการที่เราค้นพบสามารถช่วยเราสร้างหุ่นยนต์ว่ายน้ำจิ๋วได้” ดร. ฮูเบิร์ตกล่าว “สักวันหนึ่งพวกมันอาจถูกใช้ขนส่งยาผ่านทางเลือดไปยังตำแหน่งที่แม่นยำ”
