Прогуливаясь однажды осенью вдоль ручья в Ботаническом саду Пекина, Юй Тянь, профессор машиностроения Университета Цинхуа в Китае, заметил красивые тени, отбрасываемые водомерками на дно мелкого ручья. Если вы провели какое-то время в воде или рядом с ней, вы, вероятно, видели, как эти водные насекомые носятся вдоль и поперек. Кажется, что они ходят или быстро скользят по поверхности стоячей воды.
Тени ног водомерок «были круглыми или полуверетенообразными» темными участками, окруженными яркими кольцами, а размер тени, казалось, был пропорционален размеру водомерки, поэтому я задался вопросом, мог ли их вес быть представлена площадью теней его ног», - сказал он.
Исследовательская группа Тиана занимается изучением поверхностных сил, межфазных сил и явлений, встречающихся в природе и промышленности, таких как границы раздела твердого тела, поверхности раздела твердое тело-жидкость и даже поверхности раздела жидкость-жидкость. Они изучают передвижение гекконов, муравьев, а теперь и водомерок.
Заинтригованный плавучими механизмами водомерок и обновленным принципом Архимеда, который утверждает, что плавучая сила равна объему вытесненной жидкости, Тиан счел крайне странным, что, хотя исследования ex vivo проводятся вне организма водомерки когда ноги прижимаются к поверхности воды, и точное соотношение между глубиной прижатия и поддерживающей силой поверхности воды измеряется с помощью электронных весов, никто никогда не сообщал, как силы действовали на шесть ног водомерки (его передняя пара короткая).
Теперь, как сообщает группа Тиана на этой неделе в Applied Physics Letters от AIP Publishing, они разработали «теневой метод», основанный на преломлении света, для проведения этих измерений.
Изогнутые прозрачные материалы могут эффективно преломлять свет, как объектив камеры. В этом случае, когда поверхность воды искажается супергидрофобными ногами водомерки, свет может преломляться ею, а под ней образуется темная тень, окруженная светлым кольцом.
«Из геометрии тени можно точно реконструировать кривизну поверхности воды, чтобы получить соответствующий объем воды и эквивалентную силу плавучести на основе обновленного принципа Архимеда», - сказал Тиан. Все, что нужно для проведения этих измерений, - это фонарик, прозрачный сосуд с водой, вода и простая камера.
Команда обнаружила, что одновременные измеряемые на месте силы воздействуют на отдельные ноги членистоногих, ходящих по воде в естественном состоянии, и имеют решающее значение, когда дело доходит до определения принципов их передвижения, которые можно использовать для управления дизайном продвинутая биомиметическая робототехника.
Хотя широко известно, что плавучий механизм насекомых основан на обновленном принципе Архимеда, плавающую силу их ног все еще необходимо экспериментально измерить и сравнить с весом членистоногих. Поэтому необходимы точные одновременные измерения множества крошечных взаимодействий», - пояснил он.
Используя метод команды, можно легко и точно измерить движение водомерки. «Хотя считается, что восковые материалы и микроструктура на ногах водомерок делают их супергидрофобными, мы смогли четко определить движение их ног, наблюдая за тенями, которые они отбрасывают», - сказал Тиан.
Команда заметила, «что, когда тени от ноги не являются «правильными и гладкими», водомерки поднимают ногу, чтобы потереть ее ртом. После этого «потирания» тень снова кажется гладкой, он продолжил. «Форма тени представляет собой гидрофобность ног, поэтому это растирание - это процесс восстановления ее супергидрофобности».
С точки зрения приложений, «наш теневой метод может точно и чувствительно измерять силу отдельных ног водомерок», - сказал Тиан.«И это может быть распространено на других членистоногих, ходящих по жидкой поверхности, или на плавающие объекты, такие как частицы субмиллиметрового диаметра и водяные насекомые размером в миллиграмм». Метод высокого разрешения также можно было бы превратить в удобные, недорогие и эффективные устройства для измерения поверхностных слабых сил.
И не удивляйтесь, если в ближайшем будущем вы увидите продвинутых бионических роботов, основанных на принципах передвижения мелких насекомых - как только будут разработаны методы изготовления этих структур, а также их систем управления и питания.
«Развитие этого принципа в измерение слабого взаимодействия относительно просто», - отметил Тиан. «Это не потребует сложных методов».
В настоящее время команда работает над «достижением принципов передвижения очень маленьких членистоногих, ходящих по воде, таких как водолазы длиной около 1 мм», - добавил он. «Мы также изучаем минимальное разрешение силы и точность нашего метода - она может быть на уровне одиночных молекулярных сил в пиконьютонах."