Для устройства длиной в микроны вода по вязкости примерно равна плотному мёду, что убивает все попытки построить микро- и нанороботов, умеющих плавать. Но, оказывается, не всё потеряно. Моделирование, проведённое физиками из Технологического института Джорджии (США), показало, что для этого потребуются движители очень далёкие от тех, что люди используют в других плавающих искусственных объектах.

Обычно по мере роста вязкости среды движитель должен увеличиваться в размерах и замедлять вращение. К примеру, винты самолёта и судна различаются именно по этим параметрам. Однако в случае микророботов такой подход не работает: размер движителя должен быть больше размера самого робота (то есть всё устройство резко прибавляет в весе). Кроме того, растёт и сопротивление, движитель очень быстро начинает «тянуть» за собой пограничный слой, ускоряя вместе с микророботом прилегающую к нему воду (подобно тому, как это делают большие океанские суда, попутно «подвозя» падких на даровое перемещение в пограничном слое дельфинов).

Рис. 1. Зелёным показаны поверхности пластинок-движителей, а конусами — векторы движения. Руль расположен спереди. (Иллюстрация GT).

По итогам моделирования выяснилось, что

наиболее перспективной формой для роботов микронных размеров будет не копирование движителей бактерий и инфузорий — многочисленных ресничек по бокам или жгутиков, а создание специального механизма из двух тонких колебательных пластинок по бокам и одной пластинки-руля.

При этом оказалось, что

руль выгоднее всего разместить спереди, в противном случае на него слишком сильно воздействует боковая пара движителей, снижая его эффективность.

Это кажется контринтуитивным, но это действительно так: если на обычном судне эффективность рулей тем выше, чем выше скорость движения вперёд, то для микроробота, по результатам моделирования, всё обстоит наоборот. То есть эффективность руля тем больше, чем ниже скорость, а располагать его надо спереди, где пограничный слой тоньше всего, иначе он будет воздействовать лишь на собственный пограничный слой, а не на движение робота в жидкой среде.

В качестве наиболее перспективного материала для искусственных мышц микророботов авторы предлагают вещества из класса гидрогелей. Они состоят из гидрофильных полимерных цепочек и из сгруппированной вокруг них воды, доля которой доходит до 99,6%. При приложении к ним электрического тока или магнитного поля они сокращаются, а при прекращении внешнего воздействия растягиваются, работая практически так же, как человеческие мышцы (хотя растяжимость последних пока не достигнута гидрогелями). Они просты и не требуют сложных устройств контроля их движений.

Проблемой таких моделируемых микропловцов является лишь то, что они будут несколько медленнее природных аналогов такого же размера и смогут двигаться не быстрее нескольких микрометров в секунду. Многие бактерии перемещаются быстрее, отмечают исследователи, но они не всегда делают это столь же эффективно. По расчётам,

трёхкомпонентный движитель будет тратить так мало энергии, что её источник вполне может быть размещён на борту микроробота — даже несмотря на то, что средства запасания энергии у живых микроорганизмов значительно более энергоёмки, чем у современных роботов.

Отчёт о моделировании представлен в журнале Soft Matter.