Двигатель с прогрессом: микромотор доставит лекарство в любую точку организма
- Статьи
- Наука и техника
- Двигатель с прогрессом: микромотор доставит лекарство в любую точку организма
Российские ученые создали первый в мире микродвигатель внутреннего сгорания толщиной с человеческий волос. Устройство способно приводить в движение объекты, превышающие его по массе в тысячу раз. Топливом для мотора служит соленая вода, которая под действием электричества превращается в водород и кислород. Затем газы воспламеняются, производя взрыв, который толкает аналог поршня. Изобретение можно использовать для адресной доставки лекарств. Например, микродвигатель может прийти на смену громоздким помпам для инсулина.
Самый маленький в мире двигатель внутреннего сгорания
Специалисты НИЦ «Курчатовский институт» впервые в мире разработали микродвигатель внутреннего сгорания толщиной с человеческий волос. Устройство способно приводить в движение объекты в 1 тыс. раз превышающие его по массе. В качестве топлива в разработке используется соленая вода, которая с помощью электричества превращается в газ. Затем в камере двигателя происходит реакция горения водорода и взрыв, который толкает мембрану, выступающую в роли поршня. После этого газ снова превращается в жидкость, и операция повторяется.
Как рассказали разработчики, ученые давно работают над сокращением размеров двигателей внутреннего сгорания, но с уменьшением объема камеры реакция горения начинает гаснуть вследствие роста тепловых потерь. Теперь эту фундаментальную сложность удалось преодолеть и реализовать реакцию горения в малом объеме.
— Мы производим водород и кислород из воды методом электролиза. Пузыри расширяются и толкают мембрану, этот принцип не новый. Важно потом быстро удалить газ, чтобы привод срабатывал многократно, только тогда этот двигатель сможет полноценно функционировать, — рассказал старший научный сотрудник Ярославского филиала Физико-технологического института им. К.А. Валиева (с 2023 года — в составе НИЦ «Курчатовский институт») Илья Уваров.
В новом устройстве подача на электроды особого управляющего сигнала создает микропузырь, содержащий смесь водорода, кислорода и нанокапель воды под огромным давлением. Последние ответственны за поджиг реакции между газами, в результате которой объем пузыря увеличивается в 500 раз всего за 10 микросекунд. Фактически в камере происходит взрыв, двигающий мембрану с огромным ускорением, а значит и силой. В результате весь созданный газ сгорает за несколько наносекунд и превращается обратно в воду.
По словам создателей, самое очевидное практическое применение их разработки — использовать ее, чтобы толкать жидкости по микроканалам. Например, так можно заменить достаточно громоздкие помпы, которые сейчас используются для доставки инсулина. Однако так же, как обычные двигатели внутреннего сгорания, их микроаналог может использоваться в любых микромеханических устройствах. Это уменьшенные варианты традиционного оборудования, которые сейчас становятся всё более востребованными.
Попытки создать микродвигатель ведутся сейчас по всему миру. Хорошо поддается миниатюризации электростатический привод: две пластины, на которые подается напряжение, и они притягиваются друг к другу. Но такое устройство обладает слишком малой мощностью. Также существует электромагнитный мотор, но его очень сложно уменьшить, так как он имеет объемную конструкцию из катушки, магнита и других элементов. Поэтому создать мощный и эффективный двигатель микронного размера не удавалось пока никому.
Тренд на миниатюризацию
Сегодня миниатюризация — один из основных трендов в развитии технологий, отметил заведующий кафедрой инжиниринга технологического оборудования Университета МИСИС Алексей Карфидов. Это важно как с научной, так и с прикладной точек зрения.
— Сделать что-то в уменьшенном варианте всегда труднее, чем в крупном. При этом такие двигатели обычно проектируются под конкретное применение. Также важную роль играют характеристики разработки, которые необходимо соотносить с полезной нагрузкой и функциями требуемого устройства. Чем больше таких вот сложных изделий будут создавать у нас в стране, тем лучше, — сказал он.
Разработка заслуживает внимания научного и инженерного сообщества, так как ученые предложили оригинальный преобразователь энергии (тепловая энергия от сгорания водорода и кислорода превращается в механическое движение) для микронных устройств различного назначения, рассказал профессор кафедры турбин и двигателей Уральского федерального университета Леонид Плотников.
Если решение будет дешевым и доступным, то оно совершенно точно станет востребовано в робототехнике, особенно, когда дело касается миниатюрных устройств, где пока невозможно найти долго работающие, эффективные и относительно мощные двигатели особенно столь малых размеров, подчеркнул ведущий научный сотрудник лаборатории цифровых систем специального назначения МФТИ Андрей Леус. Если же эта технология будет доведена до инженерного решения, но останется достаточно дорогостоящей, то она всё равно еще сможет быть применена в медицинской технике или исследованиях в области биологии, полагает он.
— Принцип действия отдаленно напоминает работу двигателя внутреннего сгорания на микро- и наноуровнях. Разработка ученых может найти применение во многих областях миниатюрной техники (в электронных устройствах, роботах и т. п.). Особенно интересен и перспективен мембранный микроактюатор в сфере медицины, например, его применение для носимых и имплантируемых устройств (электроники), — сказал он.
Перед выходом на рынок разработка ученых должна доказать свою надежность, стабильность и устойчивость работы, а также эффективность и конкурентоспособность по сравнению с аналогами, подчеркнул специалист.
