Запуск дронов микрометрового размера с использованием только света и точного управления: физики из Вюрцбургского университета впервые преуспели в этом. Их микродроны значительно меньше эритроцитов.
Ручной лазерный целеуказатель не создает заметной силы отдачи при "выстреле" - даже несмотря на то, что излучает направленный поток световых частиц. Причиной этого является его очень большая масса по сравнению с очень малыми импульсами отдачи, которые вызывают световые частицы при выходе из лазерной указки.
Однако уже давно стало ясно, что оптические силы отдачи действительно могут оказывать очень большое влияние на соответственно малые частицы. Например, хвосты комет направлены в сторону от Солнца отчасти из-за светового давления. Движение легких космических кораблей с помощью световых парусов также неоднократно обсуждалось, последний раз в связи с проектом «Звездный выстрел», в рамках которого к Альфа Центавра должен быть отправлен флот миниатюрных космических кораблей..
Обычные квадрокоптеры в качестве моделей
В журнале Nature Nanotechnology вюрцбургские физики во главе с профессором Бертом Хехтом (кафедра экспериментальной физики 5, группа нанооптики) впервые показали, что можно не только эффективно приводить в движение объекты микрометрового размера в водной среде со светом, но и точно контролировать их на поверхности со всеми тремя степенями свободы (две поступательные плюс одна вращательная).
При этом они были вдохновлены обычными дронами-квадрокоптерами, где четыре независимых ротора позволяют полностью контролировать движения. Такие возможности управления открывают совершенно новые возможности для обычно чрезвычайно сложной работы с нано- и микрообъектами, например, для сборки наноструктур, для анализа поверхностей с нанометровой точностью или в области репродуктивной медицины.
Полимерные диски с четырьмя световыми наномоторами
Микродроны Вюрцбурга состоят из прозрачного полимерного диска диаметром 2,5 микрометра. В этот диск встроено до четырех независимо адресуемых наномоторов из золота.
«Эти двигатели основаны на оптических антеннах, разработанных в Вюрцбурге, - то есть крошечных металлических конструкциях с размерами меньше длины волны света», - говорит Сяофей Ву, постдоктор исследовательской группы Hecht. «Эти антенны были специально оптимизированы для приема света с круговой поляризацией. Это позволяет двигателям получать свет независимо от ориентации дрона, что имеет решающее значение для применимости. На следующем этапе полученная световая энергия затем излучается двигателем в определенное направление для создания оптической силы отдачи, которая зависит от направления вращения поляризации (по часовой стрелке или против часовой стрелки) и от любой из двух разных длин волн света."
Именно благодаря этой идее исследователи смогли эффективно и точно управлять своими микродронами. Благодаря очень малой массе дронов можно достичь экстремальных ускорений.
Разработка микродронов была сложной задачей. Все началось еще в 2016 году с исследовательского гранта VW Foundation, посвященного рискованным проектам.
Точное изготовление на основе монокристаллического золота
Чрезвычайно точное изготовление нанодвигателей имеет решающее значение для функционирования микродронов. Использование ускоренных ионов гелия в качестве средства для вырезания наноструктур из монокристаллического золота изменило правила игры. На следующих этапах корпус дрона изготавливается с помощью электронно-лучевой литографии. Наконец, трутней необходимо отделить от субстрата и поместить в раствор.
В дальнейших экспериментах реализуется петля обратной связи для автоматической корректировки внешних воздействий на микродроны для более точного управления ими. Кроме того, исследовательская группа стремится доработать параметры управления, чтобы также можно было контролировать высоту дронов над поверхностью. И, конечно же, еще одна цель - прикрепить к микродронам функциональные инструменты.