Od ponad stu lat, gdy mówimy o silniku, automatycznie widzimy przed oczami zestaw kół zębatych, wałów i łożysk zamkniętych w metalowej obudowie. Cała współczesna technika (od samochodów, przez roboty przemysłowe, po pompy w aparaturze medycznej) opiera się na tej samej, głęboko zakorzenionej idei, w której to ruch powstaje dzięki zespołowi sztywnych elementów, które trzeba smarować, chłodzić i chronić przed zużyciem. Im bardziej chcemy coś zminiaturyzować i wprowadzić do wnętrza ludzkiego ciała, tym bardziej ta klasyczna mechanika zaczyna przeszkadzać zamiast pomagać.
Nic więc dziwnego, że inżynierowie od lat marzą o napędzie, który obyłby się całkowicie bez takich ograniczeń. O silniku, który byłby raczej płynną strukturą niż precyzyjnie frezowanym mechanizmem, potrafił dopasować się do otoczenia, nie hałasował i nie wymagał skomplikowanych przekładni. Dotąd takie wizje kojarzyły się głównie z literaturą science-fiction, miękkimi robotami w filmach czy futurystycznymi ilustracjami w publikacjach naukowych. Tymczasem w laboratoriach australijskich uczelni ta wizja zaczyna nabierać bardzo konkretnego kształtu.
Zespół badaczy z University of New South Wales i University of Sydney zademonstrował działający prototyp silnika, w którym rolę napędu odgrywa wirująca kropla ciekłego metalu zanurzona w roztworze soli. To wciąż wczesne stadium rozwoju, ale już dziś widać, że nie mamy do czynienia z efektowną sztuczką, tylko z poważną kandydaturą do roli serca przyszłych urządzeń medycznych i robotów o miękkiej, elastycznej konstrukcji.
Przełomowa technologia silnika na ciekły metal
Zespół kierowany przez dr. Priyanka Kumara z University of New South Wales opracował unikalny silnik, w którym rolę napędu pełni krążąca kropla ciekłego metalu. Urządzenie, nad którym pracował doktorant Richard Fuchs we współpracy z profesorem Kouroshem Kalantar-Zadeh z University of Sydney, generuje ruch poprzez wprawienie w wir samej kropli. Kluczem jest umieszczenie jej w roztworze soli i przyłożenie pola elektrycznego, co wywołuje wewnętrzne przepływy poruszające maleńką miedzianą łopatkę.
To jest zupełnie nowy sposób na wytwarzanie ruchu. Wykorzystujemy przepływ samego ciekłego metalu do wytwarzania rotacji, bez żadnych tradycyjnych ruchomych części. Jest prosty, kompaktowy i z natury elastyczny – tłumaczy Dr. Priyank Kumar, UNSW.
Efekt jest imponujący, bo prototyp osiągnął prędkość 320 obrotów na minutę, ustanawiając nowy rekord wydajności w kategorii siłowników wykorzystujących ciekłe metale. Stanowi to konkretny dowód, że koncepcja nie tylko działa, ale może też generować użyteczną siłę.
Mechanizm działania, czyli miniaturowe koło wodne z metalu
Zasada działania jest zaskakująco prosta i elegancka. Wystarczy wyobrazić sobie miniaturowe koło wodne, gdzie zamiast strumienia wody mamy wirującą kroplę płynnego metalu. Właśnie taki obraz przywołują sami twórcy.
Piękno tego projektu tkwi w jego prostocie. To jak miniaturowe koło wodne. Podobnie jak płynąca woda popycha łopatki koła, wirujący ciekły metal popycha miedziane łopatki – Richard Fuchs, doktorant UNSW.
Chociaż sama zasada działania rzeczywiście przywodzi na myśl miniaturowe koło wodne, to fizyka stojąca za tym silnikiem jest znacznie ciekawsza. Kropla metalu nie jest tu wyłącznie biernym strumieniem, który popycha łopatkę. To w jej wnętrzu zachodzi cała sekwencja zjawisk elektrochemicznych i przepływowych, a w tym tak zwane konwekcje Marangoniego, czyli ruch wywołany różnicami napięcia powierzchniowego. W uproszczeniu można powiedzieć, że pole elektryczne podkręca wewnętrzne wiry w kropli, a ta energia zostaje bezpośrednio zamieniona w ruch obrotowy miedzianej łopatki.
Czytaj też: Światło idzie w odstawkę. Inżynierowie mają coś lepszego dla materiałów kwantowych
Ważne jest także to, czego w tym układzie nie ma. Nie znajdziemy tu tradycyjnych cewek czy magnesów trwałych, jak w silnikach elektrycznych, ani zestawu metalowych łożysk, które trzeba chronić przed tarciem i korozją. Cały napęd sprowadza się do kontrolowania kształtu i zachowania pojedynczej kropli metalu oraz prostego układu elektrod. Dzięki temu taki silnik można w naturalny sposób wlać w elastyczną strukturę (na przykład w ścianki kanałów mikroprzepływowych lub elementy miękkiego robota) zamiast budować dla niego oddzielną, sztywną obudowę.
Jak wykorzystać taki unikalny silnik?
Osiągnięta prędkość rzędu 320 obrotów na minutę może na pierwszy rzut oka nie robić wrażenia w świecie silników spalinowych czy dużych maszyn elektrycznych, ale w skali mikrosystemów jest to wynik, który przesuwa poprzeczkę dla całej rodziny napędów opartych na ciekłych metalach. Wcześniejsze konstrukcje z tej grupy często generowały jedynie delikatne siły, które pozostawały wystarczające do mieszania czy napędzania miniaturowych pomp, ale słabo przekładające się na użyteczny moment obrotowy. Tutaj mamy już do czynienia z układem, który nie tylko “porusza się”, ale może realnie napędzać elementy wykonawcze w urządzeniu.
Czytaj też: Uciekli do portu, bo zaatakował ich potwór. Mija prawie pół wieku bez jednoznacznej odpowiedzi
Na tym jednak nie kończy się potencjał takiej architektury. Konstrukcja oparta na kropli metalu z natury dobrze skaluje się w obie strony. Z jednej strony możliwe jest dalsze miniaturyzowanie silnika aż do rozmiarów, w których zaczyna on przypominać wbudowany w chip mikronapęd dla cieczy, leków lub materiałów biologicznych. Z drugiej nic nie stoi na przeszkodzie, by wiele takich kropli pracowało równolegle, tworząc swego rodzaju matrycę napędową do większych, elastycznych struktur. Taki dywan ciekłych silników mógłby sterować kształtem miękkiego robota, regulować przepływ w licznych kanałach jednocześnie albo formować powierzchnie o zmiennej geometrii.
Dla medycyny szczególnie kusząca jest wizja implantów i narzędzi, które nie mają w sobie ani jednego twardego zawiasu, a mimo to potrafią wykonywać skomplikowane ruchy. W takich zastosowaniach liczy się nie tylko sam fakt istnienia napędu, ale też jego cichość, brak wibracji i minimalne zużycie. Ciekły metal ukryty w niewielkiej komorze roboczej może w przyszłości napędzać mikropompy tłoczące leki, systemy wspomagania krążenia w precyzyjnie kontrolowany sposób czy elastyczne endoskopy zdolne do rozchylania i podpierania tkanek bez ryzyka ich uszkodzenia. Profesor Kalantar-Zadeh wskazuje właśnie na taką przyszłość, w której miękkie, giętkie silniki umożliwią tworzenie robotów poruszających się w ciasnych i delikatnych przestrzeniach ludzkiego ciała.
Oczywiście, od laboratoryjnego prototypu do praktycznego wdrożenia w medycynie długa droga. Pojawiają się pytania o trwałość takiego układu w dłuższej perspektywie, stabilność pracy w zmiennych warunkach czy efektywną skalowalność mocy. Niemniej, opublikowane wyniki stanowią przekonujący dowód słuszności obranej ścieżki badawczej.
W stronę praktycznych zastosowań, czyli odległa droga
Historia techniki zna wiele wynalazków, które przez lata funkcjonowały jako efektowne demonstratory, zanim w ogóle trafiły do prawdziwych produktów. Silnik z ciekłego metalu najprawdopodobniej przejdzie podobną drogę – od laboratoryjnych układów na stole badawczym, przez pierwsze wyspecjalizowane niszowe zastosowania, aż po urządzenia, z którymi zetkniemy się na co dzień, nie zdając sobie sprawy, co dokładnie pracuje w ich wnętrzu. Różnica polega na tym, że tym razem mówimy o technologii, która od początku została pomyślana pod kątem świata miękkich robotów i systemów działających wewnątrz ludzkiego ciała, a nie adaptacji klasycznego silnika do kolejnej roli.
Czytaj też: Anomalia grawitacyjna pod Atlantykiem wykryta przez satelity. Tajemnicze przesunięcie sięga 2007 roku
Jeżeli badaczom uda się rozwiązać problemy związane z długoterminową stabilnością, sterowaniem oraz integracją z materiałami biokompatybilnymi, to konsekwencje mogą wyjść daleko poza samą medycynę. Ciche, niemal bezinercyjne napędy, które można formować jak płyn, idealnie wpisują się w potrzeby przyszłej elektroniki elastycznej, produkcji addytywnej czy precyzyjnych linii technologicznych, gdzie drobne ruchy decydują o jakości całego procesu. Tego typu silnik może stać się brakującym ogniwem między światem twardych maszyn a światem urządzeń przypominających raczej tkanki niż konstrukcje z metalu. Niezależnie jednak od tego, jak szybko ten konkretny prototyp trafi do zastosowań, można śmiało założyć, że kropla ciekłego metalu wirująca w australijskim laboratorium będzie punktem odniesienia dla całej nowej generacji miękkich napędów, które dopiero się rodzą.