Итальянцы заставили свет вращать микроскопические шестеренки
Итальянские ученые открыли способ эффективной конверсии света в движение. Результаты своего исследования ученые опубликовали в журнале Nature Communications. Итальянцы выяснили, что если на поверхность раздела воздух-жидкость поместить микроскопическую шестеренку и освещать ее слабым светодиодом, то шестеренка начнет вращаться. При этом исследователям удалось добиться частоты вращения в 300 оборотов в минуту, что на пять порядков больше ранее обнаруженных способов конверсии света в движение.
В своей работе исследователи использовали шестеренки, выполненные по типу цевочного колеса со скошенными зубцами. Внешний диаметр шестеренок, изготовленных методом лазерной литографии, составлял всего восемь микрометров, а толщина — 2,6 микрометра. Одна из плоскостей шестеренок покрывалась тонким слоем аморфного углерода, позволяющего увеличить поглощение светового потока и нагрев. Шестеренки изготавливались из хрома на кремниевой подложке, отделение от которой производилось при помощи средства для удаления фоторезиста.
Затем раствор вместе с шестеренками наносился на предметное стекло микроскопа. Во время экспериментов шестеренки начинали вращаться вокруг своей вертикальной оси под воздействием света мощностью около 15 микроватт на одну шестеренку. Для освещения использовался светодиод, дающий световое пятно радиусом около 140 микрометров и излучение мощностью 30 милливатт. Обнаружилось, что изменять скорость вращения шестеренок можно меняя интенсивность света, причем реакция на изменение происходит почти мгновенно.
По данным исследователей, вращение шестеренок происходит благодаря возникающему температурному градиенту на линии поверхностного натяжения жидкости. Ближе к внутреннему радиусу шестеренки температура становится выше и показатель поверхностного натяжения жидкости снижается. На внешнем радиусе температура оказывается ниже и показатель поверхностного натяжения увеличивается. Из-за разницы температур возникает капиллярная сила, которая и вращает шестеренки. Итальянцы утверждают, что это явление похоже на эффект Марангони.
Итальянцы полагают, что в перспективе их открытие позволит создавать микроскопические механизмы и машины, работающие благодаря прямой конверсии света в движения. Их можно будет использовать, например, для транспортировки отдельных клеток в рамках лабораторных экспериментов. При этом конструкция таких микро- и наномашин будет более простой, по сравнению с существующими системами, в которых идет последовательное преобразование светового излучения в электрический ток.
Исследования конверсии света в движение проводятся на протяжении последних нескольких лет, однако до сих пор ученым удавалось добиться движения различных элементов на разделе воздух-жидкость при помощи гораздо более мощного лазерного или рентгеновского излучения. Например, исследования проводились на янус-частицах, выполненных из нескольких частей разного химического состава. В частности, достаточно эффективно во время экспериментов двигались частицы, частично выполненных из золота.
Он надежно обхватывает хрупкие предметы, не повреждая их
Инженеры из Японии и Вьетнама разработали мягкий манипулятор ROSE, способный бережно захватывать хрупкие предметы, не повреждая их. Он состоит из мягкой воронкообразной оболочки, напоминающей цветок розы, которая способна скручиваться, равномерно обхватывая предмет, оказавшийся внутри. Благодаря своей универсальности и прочности манипулятор может пригодиться в сельском хозяйстве для сбора урожая. Доклад с описанием конструкции был представлен на конференции Robotics: Science and Systems, 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Чтобы робот мог безопасно взаимодействовать с хрупкими объектами, его обычно оснащают манипуляторами, в конструкции которых присутствуют мягкие материалы. Нередко их устройство в той или иной степени имитирует анатомию человеческой руки. Например, пальцы трехпалого захвата EndoFlex с внутренней стороны покрыты мягким силиконом. Однако для управления манипуляторами такого типа обычно требуются несколько актуаторов и сложные алгоритмы позиционирования, которые позволяют подстраивать пространственное положение пальцев и руки в соответствии формой и положением захватываемого предмета. Кроме это, сила прикладывается к объекту неравномерно и только в точках соприкосновения с пальцами, поэтому ее может оказаться недостаточно для удержания. Манипулятор, разработанный инженерами под руководством Ван Ан Хо (Van Anh Ho) из Японского национального института передовых промышленных наук и технологи, имеет более простую конструкцию и для полноценной работы достаточно только одного актуатора. Принцип его работы напоминает раскрытие цветка розы, поэтому разработчики дали ему название ROSE. Рабочая часть манипулятора представляет собой прочную оболочку из силиконовой резины (первые повреждения на изогнутом краю появились только после 400 тысяч циклов срабатывания), которая образует двустенный стакан. Внешняя часть оболочки прикреплена нижней частью к круглому пластиковому основанию с отверстием в центре, а внутренняя воронкообразная поверхность к вращающемуся цилиндру, вставленному в центральное отверстие основания. При вращении внутренней оболочки относительно внешней происходит сжатие манипулятора. Если при этом во внутренней полости оказывается предмет, то он равномерно обхватывается с боков. Усилие и площадь обхвата можно регулировать с помощью угла закручивания оболочек относительно друг друга, а также нагнетанием давления воздуха в пространство между стенками стакана. Для изучения характеристик манипулятора его присоединили к роборуке UR5. Испытания показали, что захват может выдержать максимальную нагрузку около 328 Ньютон при собственной массе захвата 49 грамм, что дает значение соотношения грузоподъемности к весу примерно 6800 процентов от массы захвата вместе с ротором. Манипулятор может бережно и безопасно обхватывать хрупкие предметы различной формы и размеров не нанося им повреждений. В экспериментах использовались стальные шары, фрукты, клейкая лента, банка с кофе и куриное яйцо, которое захват легко вытащил из миски с оливковым маслом, что довольно трудно осуществить, так как из-за масла яйцо становится скользким. Кроме этого, ROSE может захватывать и сыпучие материалы, например, гравий и гальку. https://www.youtube.com/watch?v=E1wAI09LaoY Инженеры придумали способ, с помощью которого манипулятору можно добавить способность «чувствовать» захватываемый предмет. Для этого они разместили множество небольших меток с внутренней стороны оболочки. Их положение контролируется с помощью компьютерного зрения через три небольшие камеры, закрепленные на пластиковом основании манипулятора. По мнению разработчиков, ROSE мог бы пригодиться в сельском хозяйстве для сбора урожая и не только. В будущем они планируют продолжить работу над математической моделью деформации оболочки при скручивании. Иной тип мягкого манипулятора продемонстрировали инженеры из Австралии. Он способен ухватывать предметы, обвиваясь вокруг них как щупальце осьминога.