Ju Tian, profesor strojního inženýrství na Tsinghuaské univerzitě v Číně, při procházce u potoka v pekingské botanické zahradě si jednoho podzimu všiml krásných stínů vrhaných vodními chodci na dno mělkého potoka. Pokud jste strávili nějaký čas ve vodě nebo v její blízkosti, pravděpodobně jste viděli tento vodní hmyz, jak se pohybuje podél, zdá se, že chodí nebo rychle klouže po hladině stojaté vody.
Stíny nohou vodních chodců „byly zakulacené nebo tmavé oblasti ‚napůl vřetena‘obklopené jasnými prstenci a zdálo se, že velikost stínu je úměrná velikosti vodního chodce, takže mě napadlo, jestli by jejich hmotnost mohla být reprezentován oblastí jeho stínů nohou,“řekl.
Výzkumná skupina společnosti Tian se zaměřuje na povrchové síly, síly na rozhraní a jevy vyskytující se v přírodě a průmyslu, jako jsou rozhraní pevná látka-pevná látka, rozhraní pevná látka-kapalina a dokonce rozhraní kapalina-kapalina. Zkoumají pohyb gekonů, mravenců a nyní vodních chodců.
Zaujatý plovoucími mechanismy vodních jezdců a aktualizovaným Archimédovým principem, který říká, že plovoucí síla se rovná objemu vypuzené kapaliny, Tian zjistila, že je extrémně zvláštní, že i když ex vivo studie probíhají mimo organismus vodního jezdce nohy přitisknuté k vodní hladině byly provedeny a pomocí elektronické váhy byl změřen přesný vztah mezi tlakovou hloubkou a opěrnou silou vodní hladiny, nikdo nikdy nezveřejnil, jak síly působily na šest nohou vodního jezdce (jeho přední pár je krátký).
Nyní, jak tento týden uvádí Tianina skupina v Applied Physics Letters, od AIP Publishing, vyvinuli pro tato měření „metodu stínu“založenou na lomu světla.
Zakřivené průhledné materiály mohou účinně lámat světlo jako čočka fotoaparátu. V tomto případě, jakmile se vodní hladina zdeformuje superhydrofobními nohami vodního jezdce, světlo se jím může lámat a pod ním se vytvoří tmavý stín obklopený jasným prstencem.
„Z geometrie stínu lze přesně rekonstruovat zakřivení vodní hladiny, abychom získali odpovídající objem vody a ekvivalentní plovoucí sílu na základě aktualizovaného Archimedova principu,“řekl Tian. K provedení těchto měření stačí baterka, průhledná nádoba na vodu, voda a jednoduchý fotoaparát.
Tým zjistil, že simultánní měřící síly in situ působí na jednotlivé nohy členovců kráčejících po vodě v přirozeném stavu a jsou klíčové, pokud jde o rozpoznání principů jejich lokomoce, které mohou být použity k vedení návrhu pokročilá biomimetická robotika.
„Zatímco je všeobecně uznáváno, že plovoucí mechanismus hmyzu se spoléhá na aktualizovaný Archimédův princip, stále je třeba experimentálně změřit plovoucí síly jejich nohou a porovnat je s hmotností členovců. Je tedy nezbytné získat přesná simultánní měření mnoha malých sil,“vysvětlil.
Pomocí týmové metody lze snadno a přesně kvantifikovat pohyb vodního jezdce. "Zatímco se obecně věří, že voskové materiály a mikrostruktura na nohou vodních jezdců je udržují superhydrofobní, byli jsme schopni jasně identifikovat pohyb jejich nohou pozorováním stínů, které vrhají," řekl Tian.
Tým pozoroval, „že když stíny na noze nejsou ‚pravidelné a hladké,‘vodní chodci zvednou nohu, aby si ji otírali ústy. Po tomto ‚přetření‘se stín jeví znovu hladký, " pokračoval. "Tvar stínu představuje hydrofobnost nohou, takže toto tření je procesem k obnovení jeho superhydrofobnosti."
Pokud jde o aplikace, „naše stínová metoda dokáže citlivě a přesně měřit síly jednotlivých nohou vodních jezdců,“řekl Tian."A může být rozšířen na další členovce nebo plovoucí objekty, jako jsou částice o průměru menším než milimetr a vodní hmyz o velikosti miligramů." Metoda s vysokým rozlišením by mohla být také vyvinuta do pohodlných, levných a účinných zařízení pro měření povrchů se slabou silou.
A nebuďte překvapeni, až v blízké budoucnosti uvidíte pokročilé bionické roboty založené na principech pohybu malého hmyzu – jakmile bude možné vyvinout techniky výroby těchto struktur a jejich řídicích a napájecích systémů.
"Rozvoj tohoto principu do měření slabé síly je relativně přímočarý," poznamenal Tian. "Nebude to vyžadovat sofistikované techniky."
Tým nyní pracuje na „dosáhnutí principů lokomoce velmi malých členovců, kteří chodí po vodě, jako jsou vodní běhouni o délce asi 1 mm,“dodal. "Zkoumáme také minimální rozlišení sil a přesnost naší metody - může to být na úrovni jednotlivých molekulárních sil v pikonewtonech."
