Ученые нашли бесконтактный способ ориентации предметов в пространстве

scx3dK1YPPk1

Ориентация при помощи магнитной левитации оказалась применима и для предметов с постоянной плотностью.

На фото: Различные ориентации нейлонового болтика, полученные в эксперименте. Изображение: статья в PNAS

Коллектив ученых из Гарвардского университета разработал метод управления ориентацией немагнитного предмета — например, пластикового винтика, — при помощи технологии магнитной левитации (MagLev). Авторами разработаны две схемы, позволяющие ориентировать левитирующий предмет в полном диапазоне угловых координат. Описание исследования приводится в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Магнитная левитация позволяет «приподнимать» магнитовосприимчивые предметы над поверхностью земли благодаря созданию градиента магнитного поля, так что возникающая сила компенсирует силу тяжести. Для левитации диамагнитных (маловосприимчивых к магнитному полю) предметов ученые помещают целевой объект в парамагнитную жидкость (1,5-молярный раствор хлорида марганца II). Таким образом, магнитное поле действует на жидкость, а та в свою очередь — на погруженный предмет.

Для ориентации предмета в пространстве ученые предлагают две различных схемы экспериментальной установки.

В первой из них для изменения ориентации объекта относительно лабораторной системы координат двигается прибор, создающий магнитное поле. Вращая магниты вокруг объекта, ученые изменяют направление градиента магнитного поля, тем самым вызывая изменение ориентации погруженного предмета.

8l -p4uKbbQ1

Схема ориентации за счет поворота прибора. Изображение: статья в PNAS

Во второй схеме используется небольшой дополнительный магнит, который локально усиливает магнитное поле в выбранной области, чем вызывает перестройку жидкости, за которой следует переориентация объекта. В данной работе использовался кубический магнит с ребром 6,4 миллиметра и индукцией магнитного поля на поверхности порядка 0,4 тесла.

cQtTuT2fB-E1

Различные ориентации и схема с использованием дополнительного магнита. Изображение: статья в PNAS

Магнитная левитация в настоящее время достаточно широко распространена. В частности, хорошо известно такое ее применение, как скоростные поезда на магнитной «подушке». Также бытует мнение, что этот эффект может оказаться чрезвычайно полезен для автоматизированных линий по сборке, так как там требуется строгая ориентация деталей на каждом этапе. Сейчас этот вопрос решается благодаря роботизированной сборке, а также сортировке на основе совпадения формы детали и формы сортировочных отверстий. Но и у того, и у другого метода есть ряд недостатков, в частности, невозможность работы с хрупкими или липкими объектами.

Магнитная левитация для ориентации диамагнитных предметов в пространстве уже применялась. Так, ранее было показано, что предметы с неравномерной плотностью можно подвергать направленной ориентации. В этой же работе ученые пошли дальше и заставили ориентироваться и однородные объекты, но с анизотропной формой. Из ограничений пока наиболее серьезным является размер объектов: слишком маленькие (меньше 10 микрон) частицы не удается сориентировать из-за броуновского движения, тогда как для больших предметов нужны более мощные магниты.