Крошечных роботов инженеры научили прыгать по поверхности воды подобно насекомым

Концепция хождения по поверхности воды может на первый взгляд показаться фантастической, хотя в природе это достаточно распространённое явление: многие небольшие насекомые способны на это, например, комары или водомерки. Эти создания способны не просто скользить по поверхности воды, но и генерировать достаточную тягу, чтобы прыгать по ней. Пресноводные насекомые передвигаются по водной глади, равномерно распределяя свой вес при помощи длинных лапок, покрытых крошечными волосками, создающими мельчайшие воздушные карманы для увеличения плавучести.

Исследователи из Сеульского национального университета и Гарвардского университета создали своих крошечных роботов, способных прыгать по поверхности воды, вдохновившись водомерками. Роботы используют те же силы для совершения прыжков — они отталкиваются от поверхности воды, не нарушая целостности поверхностной "плёнки". Это становится возможным, поскольку направленная вниз сила никогда не превышает поверхностное натяжение воды (силу, которая держит вместе молекулы воды).

Ведущие авторы работы профессор Хо-Янг Ким (Ho-Young Kim) и профессор Кю-Джин Чо (Kyu-Jin Cho) наблюдали за водомерками из пруда Сеульского национального университета, чтобы разработать своё детище.

"Для того чтобы исследовать их удивительную моторику, мы собирали насекомых и записывали их прыжки по воде в лаборатории с помощью высокоскоростных камер, — рассказывают корейские учёные. — Эти эксперименты показали, что насекомое поднимается вверх, надавливая на поверхность и затем собирая четыре лапы сзади ".

Исследователи использовали все эти данные для того, чтобы сделать дизайн своего робота максимально приближенным к природному прототипу. Двухсантиметровое тело робота и пятисантиметровые ноги выполнены из слоёв тонкого материала — прочного и гибкого нитинола, сплава титана и никеля. Вес машины составляет всего 68 миллиграммов. По всей длине клинообразных ног робота располагаются устройства, похожие на пружины. Роботы, как и насекомые, действуют ногами таким образом, чтобы "максимизировать время соприкосновения лап и воды".

Используя теоретическую модель, — гибкий цилиндр, плавающий на поверхности жидкости — исследователи обнаружили, что максимальная сила лап насекомого всегда немного ниже максимальной силы, которую может выдержать поверхностное натяжение воды.

"Водомерки легко скользят по поверхности воды главным образом благодаря тому, что их низкая масса тела и супергидрофобные лапки помогают им удерживаться на поверхности, — объясняют учёные. — Они способны генерировать вертикальный толчок достаточной силы для прыжка, который также требует высокого темпа, и высокую скорость вертикального взлёта. Мы постарались разобраться в гидродинамике этих прыжков, чтобы разработать собственный механизм, который максимизирует передачу импульса воде".

Корейские учёные считают, что их роботизированная водомерка может быть использована в будущем для мониторинга загрязнения водоёмов. Однако они подчёркивают, что их главной целью была не коммерциализация миниатюрной разработки, а исследование новых возможностей водной мобильности подобных устройств.

Новый робот-водомерка был описан в статье журнале Science.

Напомним, что несколько лет назад гидрофобные лапки водомерок уже вдохновили китайских учёных на создание прыгающих по поверхности воды роботов. Также, благодаря наблюдениям за необычной манерой передвижения насекомых и животных, исследователи создавали прыгающего робота-лягушку и механическую блоху.