Простейший пропеллер состоит из одного стержня
|
Предложен новый микродвигатель для перемещения микромашин сквозь жидкость. Он использует один-единственный прямой, но гибкий стержень, который при вращении сам изгибается в нужную сторону и толкает машину вперед.
Многие технологии будущего — от сугубо технических до биомедицинских — будут опираться на слаженную работу целой армии крохотных микророботов. При конструировании таких роботов микронных размеров нельзя упускать из вида одну важную деталь: в мире микромашин нет движения по инерции. Сила трения, сила вязкости и другие силы, мешающие движению, моментально останавливают всякое перемещение по инерции, в результате чего передвигаться машина может только при наличии движущей силы. Именно поэтому микромоторы — принципиально важный элемент будущих микромашин.
В особенности важны эффективные двигатели при перемещении микромашин сквозь вязкую жидкость. Как подсказывает сама природа, удобен в этом случае пропеллер в виде твердого спиралеобразного жгутика. Пристроив его на конец вращающегося механического привода (а такие приводы на молекулярном уровне уже разработаны), можно заставить микромашину плыть вперед.
Однако тут есть две сложности. Во-первых, жесткие винтовые наностержни правильной формы изготавливать трудно. Во-вторых, из-за сильных флуктуаций на молекулярном уровне тяжело заставить мотор вращаться всегда в одну и ту же сторону. Если направление спирали зафиксировано, то прокручивание мотора то в одну, то в другую сторону приведет к тому, что машина будет дергаться вперед-назад и лишь «в среднем» плыть вперед.
Новая схема микродвигателя, предложенная в статье M. Manghi et al., Physical Review Letters, 96, 068101 (15 February 2006) (доступной также как cond-mat/0602238), элегантно устраняет обе эти проблемы. Авторы предлагают использовать в качестве эффективного микропропеллера один-единственный прямой, но гибкий наностержень. Всё, что требуется, — это прикрепить его к вращающемуся приводу, но не торец к торцу, а под некоторым углом к оси вращения.
Если гибкий упругий стержень вращать в жидкости, держа его под некоторым углом, то он сам изогнется по спирали (в чем читатель может убедиться и самостоятельно). Направление закручивания этого винта такое, что из-за трения он толкает машину вперед. Впрочем, как показали расчеты, эта спираль — далеко не самая оптимальная для пропеллера форма, поскольку тяга двигателя получается при этом небольшой.
Однако авторы работы обнаружили, что если скорость вращения увеличивать, то при превышении некоторого значения происходит скачкообразное изменение формы стержня. Вместо широкой закрученной дуги он превращается в узкую, прижатую к оси винтовую линию. Эта перестройка сопровождается резким, в несколько раз, убыстрением вращения и столь же сильным увеличением «тяги» этого двигателя. Оценки показывают, что такой микродвигатель может поспорить даже с созданными природой вращающимися спиральными жгутиками, с помощью которых перемещаются некоторые бактерии.
Принципиально важной особенностью этой схемы движения является то, что в ней нет предпочтительного направления вращения. Не важно, в какую сторону будет вращаться мотор, — стержень сам изогнется правильным образом. И даже если мотор будет хаотично переключаться между вращением то в одну, то в другую сторону, стержень всегда будет толкать машину в одном направлении.
Игорь Иванов
