Американские инженеры добились значительного прогресса в области передачи движения, отказавшись от подходов, которые использовались на протяжении многих веков. Разработчики из Нью-Йоркского университета представили инновационную конструкцию, где роль зубьев, привычных для шестерён, выполняет поток жидкости. Эта разработка открывает перспективы для создания более гибких, надежных и устойчивых к поломкам систем, применяемых в робототехнике и различных машинах.
По словам одного из авторов исследования, профессора математики и физики Джун Чжана, были разработаны шестерни принципиально нового типа, которые взаимодействуют друг с другом посредством вращения жидкости, а не за счёт физического сцепления зубьев. Это открывает возможности для управления скоростью и даже направлением вращения, которые ранее были недостижимы. Вдохновение для разработки пришло к исследователям в процессе наблюдения за тем, как воздух или вода приводят в действие турбины. Ученые выдвинули гипотезу о том, что правильно организованные потоки жидкости способны воспроизводить функции традиционных зубчатых колёс.
Подтверждение этой гипотезы было получено в ходе экспериментов. В рамках серии опытов два цилиндра помещались в вязкую смесь, состоящую из воды и глицерина. При вращении первого цилиндра-ротора в окружающей жидкости возникало интенсивное движение. Было установлено, что характер поведения системы существенно зависит от расстояния между цилиндрами. На небольшом расстоянии жидкость оказывает воздействие, подобное микроскопическим зубцам, толкая второй цилиндр и вызывая его вращение в противоположном направлении, аналогично работе шестеренок в механических часах. При увеличении расстояния между цилиндрами жидкость начинает обтекать второй ротор, как невидимый ремень, и вовлекает его во вращение в том же направлении.
Главное достоинство новой разработки – её высокая надёжность. По словам доцента математики Лейфа Ристрофа, традиционные шестерни нуждаются в безупречном соединении зубьев, и даже незначительные загрязнения или дефекты способны вызвать их блокировку. В гидравлической системе элементы не соприкасаются напрямую, что исключает их износ и риск повреждения от попадания твёрдых частиц – жидкость легко обходит все препятствия.
Применение «жидких» шестерён представляется наиболее многообещающим в области мягкой робототехники. Данная технология открывает возможность замены традиционных жёстких металлических передач на системы, обеспечивающие гибкую и адаптивную передачу движения. В будущем это может повлечь за собой разработку машин, способных оперативно корректировать передаточное отношение посредством изменения параметров жидкости.
Результаты исследования были в научном журнале Physical Review Letters.