Их можно применить для инъекций без игл.
Ученые из Китая и США использовали энергию, высвобождаемую при схлопывании пузырьков, для приведения в движение роботов, которые, по утверждению изобретателей, могут применяться для целевой доставки лекарств или изучения труднодоступных пространств.
Подробности технологии изложены в журнале Science. Она основана на быстром нагреве светопоглощающих материалов лазером, что вызывает закипание капель воды на поверхности вокруг материала и запускает формирование паровых пузырьков. Достигнув определенного размера, пузырьки внезапно схлопываются, мгновенно высвобождая энергию, достаточную для запуска миллиметровых прыгунов на высоту до 1,5 метра.
Регулируя поток света, можно изменять направление и точку запуска этих прыгунов с влажной поверхности и даже заставлять небольшие фрагменты материала плавать в воде.
«Наше исследование демонстрирует, что кавитация может служить эффективным механизмом запуска», — говорится в статье.
Кавитация — это образование и последующее резкое схлопывание паровых пузырьков, формирующихся в областях жидкости под действием низкого давления или высокой температуры.
В промышленных условиях это явление считается вредным, поскольку возникающее в процессе давление может разъедать твердые сплавы.
«Однако если огромную выходную мощность и сверхбыструю динамику кавитация можно эффективно использовать, она может потенциально повысить производительность приводов, роботов и других инженерных устройств», — заверяют авторы.
Идея не нова: продвинутая, контролируемая форма этого явления использовалась в конструкции советской торпеды ВА-111 «Шквал», которая использует суперкавитацию — слияние паровых пузырьков в один большой пузырь, окружающий торпеду для снижения сопротивления и увеличения скорости.
Чем руководствовались советские конструкторы, мы теперь вряд ли узнаем, а американские и китайские ученые вдохновлялись живой природой. Они изготовили небольшого прыгуна из композитного материала (диоксид титана, полипиррол и карбид титана), разместили его на влажной твердой поверхности и нагрели лазером.
Закономерно образовались пузырьки, лопнули, и микроскопический робот весом меньше миллиграмма взмыл ввысь с пиковой скоростью 12 метров в секунду.
Такой композитный прыгун на основе титана может выдерживать 500 повторных циклов запуска без структурного разрушения, демонстрируя превосходную долговечность и термическую стабильность.
Главным достижением команды стало подавление высвобождения пузырьков до достижения предела стабильности, что дало максимальный КПД использования накопленной энергии, заметил старший редактор Science Марк С. Лавин, в редакционном резюме. «Авторы показывают, что помимо прыжков, тот же подход можно использовать для приведения в движение плавающего робота», — добавил он.
«Движение при плавании управляется с высокой точностью, что позволяет осуществлять навигацию в сложных, ограниченных пространствах, таких как лабиринты и микрофлюидные каналы», — отметили исследователи.
Это может найти применение в ремонте электронных схем и прецизионной сборке, привели примеры они.
«Универсальность нашей стратегии запуска дополнительно подтверждается ее способностью адаптироваться к различным условиям. Наши фототермические прыгуны могут быть размещены под жидкостью, на поверхности жидкости и на твердых поверхностях, что позволяет охватывать различные сценарии применения», — указали авторы.
Вдохновленные естественным, управляемым кавитацией распространением спор папоротниками, они проверили способность прыгунов к распространению посевного материала. Семена положили в воду в емкости с дном из композита, нагрели лазером — и они разлетелись на расстояние более 0,7 метра.
«Таким образом, эта модель демонстрирует потенциал фототермической кавитации для безопасной транспортировки хрупких объектов — таких как микросхемы, датчики и передатчики сигналов — в замкнутые и недоступные среды», — прокомментировали изобретатели.
Кроме того, они почерпнули вдохновение у рыбы-брызгуна, которая поражает свою добычу струями воды изо рта, чтобы создать систему струйного впрыска на основе кавитации.
«Высокоскоростная струя жидкости с большим напором обладает потенциалом проникать через биологические ткани и вводить лекарства, что может быть многообещающей альтернативой инъекциям на основе игл», — заключили исследователи.