Представьте на секунду, что самое важное в машине — то, что заставляет её двигаться, — вдруг стало мягким, бесшумным и практически вечным. Не металлическим, скрипучим и ломким, а гибким, текучим... почти живым. Звучит как сцена из научно-фантастического романа, верно? Но именно это сейчас происходит в научных лабораториях. Физики и инженеры один за другим совершают тихую революцию, отказываясь от привычных шестерёнок и валов. И что самое удивительное — замену они нашли буквально под рукой: в самой обычной жидкости.
Вот уже тысячи лет принцип передачи движения не менялся: зуб одной железной шестерёнки цепляется за зуб другой. Но недавно команде из Нью-Йоркского университета удалось перевернуть этот принцип с ног на голову. Всё началось с простого, почти школьного эксперимента. Учёные взяли два гладких цилиндра, которые можно было сдвигать и раздвигать, и погрузили их в прозрачный аквариум. Но вместо воды они залили туда смесь воды и глицерина — густую, вязкую жидкость, похожую на сироп. Один цилиндр подключили к моторчику, а за вторым внимательно следили датчики. И тогда произошло нечто удивительное.
Когда первый цилиндр начинал вращаться, он увлекал за собой эту густую жидкость. И тут начиналась магия. Если цилиндры стояли близко друг к другу, жидкость между ними превращалась в мощный мини-водоворот. И этот водоворот вёл себя не как пассивная среда, а как миллионы крошечных зубчиков! Он «цеплялся» за второй цилиндр и заставлял его вращаться в обратную сторону — точь-в-точь как сцепленные шестерёнки в старых механических часах.
А если цилиндры раздвигали подальше? Картина менялась на противоположную. Тот же самый поток теперь плавно обтекал второй цилиндр, словно невидимый ремень, и увлекал его в ту же сторону. Без всяких передач, просто за счёт движения жидкости.
«По сути, мы изобрели шестерни, у которых нет зубьев, — объясняет профессор Джун Чжан, один из авторов работы. — Они входят в зацепление за счёт самого течения жидкости. И это открывает такие возможности для управления движением, о которых мы раньше и не мечтали».
Самое красивое в этой системе — её абсолютная живучесть. Представьте: в обычных шестерёнках малейшая песчинка или трещинка на зубе может привести к катастрофе. А здесь детали вообще не касаются друг друга! Песок, пыль, износ — всё это просто уносится потоком. Механизм становится практически неубиваемым.
Пока в Америке придумывали шестерёнки без зубьев, на другом конце света, в Австралии, пошли ещё дальше. Учёные из Университета Нового Южного Уэльса задались вопросом: а если можно передавать движение жидкостью, то почему бы и не создавать его с помощью жидкости?
Их установка была до гениальности проста. В маленькую ячейку налили щелочной раствор. В центр поместили каплю особого сплава — галлия с индием. Этот металл удивителен: он остаётся жидким при комнатной температуре, блестит, как ртуть, но при этом не ядовит. Рядом с каплей поставили медные лопасти — самый простой ротор. А в раствор опустили электроды.
Когда на электроды подаётся напряжение. Ток проходит через электролит и каплю жидкого металла. В капле возникает эффект Марангони — движение из-за градиента поверхностного натяжения. Но здесь его причиной является электрическое поле, которое создаёт разность потенциалов на поверхности капли, порождая внутри неё интенсивные вихревые токи. Эти внутренние завихрения в капле действуют как невидимые лопасти турбины. Они взаимодействуют с окружающей жидкостью (электролитом) и создают гидродинамический поток, который и толкает медные лопасти внешнего ротора, заставляя его вращаться (видео в тг-канале по ссылке ниже)
Правда, была одна проблема. На поверхности капли со временем образовывалась оксидная плёнка, как тонкая кожица. Но учёные нашли изящное решение: они просто периодически отключали ток. Щёлочь растворяла эту плёнку, капля «омолаживалась», и процесс запускался снова. Так родился мотор без единой жёсткой детали — компактный, гибкий от природы и способный делать 320 оборотов в минуту.
Но в чём же подвох? У каждой революции есть своя цена.
Честно говоря, если бы эти технологии были идеальны, они бы уже работали в наших смартфонах. Но пока это — гениальные лабораторные прототипы, и у них есть свои «болевые точки». И сами учёные не скрывают, над чем предстоит работать.
Самое очевидное — эффективность, или КПД. Она пока что, мягко говоря, далека от совершенства. В случае с «жидкими шестернями» львиная доля энергии мотора уходит на то, чтобы просто «перемалывать» вязкий глицерин, а не вращать второй цилиндр. В капельном двигателе потери происходят на каждом шагу: при превращении электричества в химические реакции, при создании вихрей и при передаче движения от капли к ротору. Результат — эти системы сегодня не могут конкурировать по мощности с классическими двигателями. Они созданы не для грубой силы, а для деликатной работы.
С этим связана и ограниченная мощь. Сегодня эти технологии могут вращать лишь лёгкие лопасти в лабораторных условиях. Им по силам лишь крошечные усилия — но именно в этом и есть их главное предназначение. Они никогда не заменят мотор в стиральной машине, зато могут стать идеальным «сердцем» для микроскопического робота-хирурга, которому важнее безопасность и гибкость, чем мощный крутящий момент.
Плюс ко всему, традиционная механика предсказуема: есть зуб, есть паз, а вот поведение жидкости — это всегда сложная физика, зависящая от температуры, вязкости, расстояния. Движение получается плавным, но и инерционным. Чтобы такая система стала по-настоящему послушной, ей нужны «умные» алгоритмы управления, которые будут в реальном времени подстраивать параметры под меняющиеся условия.
И, конечно, практические нюансы. Как идеально герметизировать систему, чтобы жидкость не вытекала? Как поведёт себя жидкий металл после миллионов циклов? Из чего делать корпус, который не разъест щёлочь? Если все эти вопросы будут решены, то медицина будущего, новая гибкая электроника и мягкая робототехника не заставят себя долго ждать.
Эти исследования ведут нас не к миру, где всё сделано на жидкости, а к миру, где у техники появился новый, совершенно уникальный инструмент, открывающий дорогу в те ниши, куда классической механике просто не пройти.
Больше интересного читай в моем Telegram канале.
