Осциллирующий робот может двигаться через отражение волн

Волновая робот-лодка.(а) Фотография лодок, генерирующих 17,1 Гц волны.(б) схема эксцентричного двигателя, вибрирующего лодку для создания волн;Пропеллеры, показанные в (а), не используются в этом исследовании и, таким образом, опущены в (b).(c) Диаграмма резервуара, в которой были проведены все эксперименты.Передовая пешеходная доска обеспечивает быстрое демодуляцию шахматной доски для реконструкции пространственно -временной поверхности.(Вставка) Быстрая демодуляция шахматной доски определяет высоту поверхности жидкости, используя мгновенное искажение шахматной доски с помощью поверхностных возмущений.(D1) - (D2) Временная ряд отталкивания от (17,1 Гц) и притяжение к стене (33,5 Гц) соответственно.(e) Эволюция перпендикулярной расстояния корпуса для повторных отталкивающих и привлекательных испытаний при 17,1 Гц и два разных начальных расстояния.Кредит: Письма о физическом обзоре (2024).Doi: 10.1103/physrevlett.132.084001

Эффект казимира - это притяжение двух незаряженных параллельных пластин, потому что виртуальные квантовые механические волны с длиной волн, превышающие разделение пластины, исключаются между ними, поэтому виртуальные поля за пределами пластин толкают их внутрь.Параллельные пластины, частично погруженные в воду, привлекают друг друга, поскольку водные волны, несущие больные, водные волны, исключаются из центральной области.(Спекуляция о эффекте морского казимира между пристывшими кораблями все еще находится под дебатом.)

Теперь ученые показали, что плавающий, симметричный колеблющийся робот будет испытывать силы, когда он приближается к границе.Эти силы могут быть использованы для самопропульсии без необходимости более типичных механизмов, таких как пропеллер.

Исследование опубликовано в журнале «Письма по физическим обзорам».

Во главе с доктором философииСтудент Стивен В. Тарр из Технологического института Джорджии, команда построила 3D-печать круговой плавки диаметром 12 см с массой 368 г.На борту они прикрепили двигатели с аккумулятором, которые вибрируют лодку с контролируемой частотой, производя вибрирующие движения вдоль оси переднего приема (рулона).При включении, ремесло произвело ряд симметричных волн на поверхности воды, все одинаковую длину волны, излучаясь от него.

Акриловый лист был помещен поблизости в воде, чтобы действовать как граница, достаточно долго, чтобы эффективно создать одномерную систему, поэтому необходимо контролировать только движение лодки, перпендикулярное стене.Вдали от стены (по сравнению с размером лодки и длин волн водных волн), на лодке не было чистой силы.Но близко к стене, наблюдалось, что лодка, вызванная волной, испытывала либо привлекательное, либо отталкивающее поведение, в зависимости от ее начального расстояния от стены и частоты генерируемых водных волн.

Исследователи использовали веб-камеру для записи движения лодки и измерили ее боковое движение (перпендикулярно стене), а также измеряя ее ускорение в этом перпендикулярном направлении (которое составляло менее 100 микрометров в секунду).Волны, исходящие от колеблющейся лодки, были просмотрены и измерены с помощью высокоскоростной камеры через Schlieren Photography, которая измеряет изменения в скорости потока жидкости путем наблюдения за изменениями в своем показателе преломления.

Когда он начался близко к стене - примерно половину его радиуса или меньше - лодка все чаще притягивалась к стене, когда ее начальное расстояние уменьшалось, и его частота колебаний увеличивалась (и, следовательно, так же частота волн воды).В среднем диапазоне на начальном расстоянии около двух третей радиуса и на более низких частотах сила на лодке слегка отталкивалась, отодвинув его от стены.На больших расстояниях (по сравнению с радиусом) на лодке не было чистой силы.

Поскольку ускорение было довольно небольшим, менее 10 миллионов поверхностных гравитационного ускорения Земли («G») были предприняты шаги, чтобы изолировать силы от краткосрочных эффектов от вязкости, перетаскивание на лодке из-за самих волн иинерция лодки.Тем не менее, силы были небольшими, ниже 100 микроневтонов.

Локомотивное явление, самоопроводящее явление волн, исходящих от лодки, произошло, когда отраженные волны от стены ударили корпус лодки достаточной энергией.На стене лодки отраженные волны ударили по корпусу меньшей высотой волны (амплитуда), чем они оставили, из-за дисперсии волн, когда они проходили по поверхности воды.Эти меньшие возвращающиеся волны были вычтены из более крупных излучаемых волн, мешающих и эффективно уменьшая амплитуду волн, которые лодка, излучаемая на стороне стены.

По сути, лодка испускала асимметричные волны, больше в направлении напротив стены, и меньше к стене.Эта асимметрия между двумя сторонами лодки привела к притяжению силы к стене.

Далее от стены отраженные волны имели слишком малую высоту, чтобы повлиять на генерацию чистой волны, но все же несли какой -то импульс, что привело к небольшой отталкивающей силе.Вдали от стены отраженные волны рассеялись, поэтому они не обеспечивали значимой силы.

Частотная зависимость возникла, потому что в то время как энергия отраженной волны увеличивалась с частотой, контакт излучаемых волн со стеной приводил к сложной динамике на линии контакта, рассеяв существенную энергию и изменяя амплитуду отраженных волн.

«Наше исследование является потрясающим примером богатства явлений, ожидающих обнаружения на интерфейсе физики и робототехники»,-сказал Даниэль Голдман, соавтор и профессор физики в Технологическом институте Джорджии, который называет эту поле ».”

«Создание и использование аналогий из других ветвей физики (в данном случае эффект казимира в теории квантовых поля) может быть полезен при разработке новых подходов к движению роботов, аналогично нашей предыдущей работе по« механической дифракции »в системах нерелятива,», Goldmanзавершился.

Больше информации: Стивен В. Тарр и др., Исследовающие гидродинамические силы, вызванные колебаниями, с колеблющимся роботом, «Письма по физическим обзорам» (2024).Doi: 10.1103/physrevlett.132.084001