Физики научились регулировать смачиваемость поверхности в широком диапазоне
Исследователи из Университета Британской Колумбии создали поверхность, которая может менять смачиваемость в широком диапазоне, становясь как супергидрофобной, так и супергидрофильной. Регулировка смачиваемости происходит за счет подачи небольшого напряжения, при этом она полностью обратима. Ученые считают, что такая поверхность может пригодиться во многих областях, к примеру, для фильтрации воды или в медицине. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials Interfaces.
Разные научные коллективы работают над созданием поверхностей с изменяемым углом смачивания. Зачастую, для этого требуется сильное нагревание, обработка поверхностей лазерным излучением и другое сильное воздействие, а процесс может занимать много времени. Канадские ученые решили упростить и ускорить регулировку смачиваемости поверхности и создали новый метод.
Ученые выбрали в качестве основы медь — недорогой и распространенный материал. Супергидрофобная медная поверхность была создана с помощью электроосаждения, и из-за этого имела структуру «елочек» . Регулировка смачиваемости основана на том, что у меди и ее оксидов (CuO и Cu2O) она сильно отличается. Пропуская небольшой ток с напряжением около одного вольта через каплю ученые могут менять степень окисления меди, и таким образом, изменять ее смачиваемость в диапазоне от супергидрофобной (угол смачивания около 157 градусов) до супергидрофильной (угол около десяти градусов).
Ученые выделяют несколько преимуществ их метода. Во-первых, они использовали доступный материал. Для регулирования достаточно напряжения, которое дают распространенные батареи, а время перехода из одного состояния в другое исчисляется минутами. Также, в отличие от многих других методов, изменение смачиваемости таким методом полностью обратимо. Для этого достаточно высушить поверхность, и медь снова окислится на воздухе.
Ранее международная группа ученых представила в целом похожую технологию, однако они смогли менять угол смачивания в пределах десяти градусов. А другие исследователи научились получать материал на основе графена с регулируемым отношением к воде от супергидрофильного до супергидрофобного.
Григорий Копиев
И реагировать на них движениями
Американские инженеры связали на автоматическом станке свитеры для роботов, которые помогают ощущать прикосновения с помощью вшитых датчиков нажима. Свитеры пригодятся, чтобы управлять движениями роботов на производстве. Работа доступна на arXiv.org. Для работы на производстве с людьми, роботам нужно быть очень осторожными, чтобы случайно не травмировать человека. Есть разные способы сделать роботов безопасными, например прикреплять к ним мягкие подушки. Другая идея — научить роботов быстро определять контакт и отодвигаться от человека. В отличие от людей, у роботов нет кожи, но для них можно сделать другую систему для распознавания ощущений из жестких или эластичных материалов, или даже одежду из текстиля, если встроить в нее датчики прикосновений. Одежду можно быстро изготавливать на ткацком станке в промышленных масштабах, и надевать на роботов разных форм и размеров. Группа инженеров из Университета Карнеги под руководством Джеймса МакКанна (James McCann) и Ян Вэньчжэня (Yuan Wenzhen) создала свитеры для роботов, которые могут надежно определять прикосновения. По словам авторов, обычно у текстильных сенсоров есть проблема: они быстро деформируются и перестают надежно работать. Исследователи попробовали с этим справиться, связав свитеры из трех слоев пряжи. Верхний и нижний слой сделаны из обычного нейлона, на котором чередуются широкие и узкие полосы. Широкие полосы сотканы из полиэстеровой металлизированной пряжи, которая хорошо проводит электричество, а узкие полосы изолятора сделаны из акрила. Средний слой — это сетка из района (искусственного шелка). Чем она тоньше, тем выше чувствительность свитера к легким прикосновениям, и наоборот — плотный средний слой подходит для сильных нажатий. Слои ткани с помощью пуговиц с проводами соединяются с устройством для считывания сопротивления, и вместе с ним превращаются в электронную схему. Когда кто-то дотрагивается до свитера, верхний и нижний слои ткани соприкасаются через отверстия в районовой сетке, и сопротивление в системе уменьшается. По сопротивлению можно определить силу нажатия. Инженеры протестировали, насколько надежно устройство определяет силу и место контакта со свитером. Первая серия экспериментов проверяла, как эффективность сенсоров меняется со временем. Эксперименты включали 42 секунды контакта с сенсорами по 20-30 раз на протяжении 4 дней. Авторы не приводят точные цифры результатов, но утверждают что сенсоры показывали стабильные результаты по определению места контакта все 4 дня, с небольшими погрешностями в конце эксперимента. Также исследователи протестировали точность сенсоров на плоской и изогнутой поверхности. На плоской поверхности по сопротивлению датчиков можно было точно определить силу нажатия. На изогнутой поверхности корреляция между сопротивлением и силой нажатия сохранилась, но выросло ее стандартное отклонение. Таким образом, сложность поверхности негативно повлияла на точность определения нажатия. Наконец, инженеры проверили эффективность чувствительных свитеров на роботах. Они надели свитер на робота Kuri, который должен был повернуть голову в ответ на прикосновение. В будущем технологию RobotSweater можно использовать, чтобы обучать роботов: например, похлопать по плечу в качестве похвалы. Пока инженеры показали, как свитеры могут пригодиться на производстве: например, промышленный робот в свитере останавливается и меняет направление движения в ответ на прикосновения. https://www.youtube.com/watch?v=YGUV1dHuCRc Прикосновения может определять не только одежда для роботов, но и искусственная кожа, которую разработала группа ученых из Стэнфордского университета. Пока кожу испытали на крысах, но авторы планируют в будущем встроить ее в человеческие протезы, чтобы улучшить их чувствительность.
