CN109630370A - 一种基于气泡溃灭高速射流推进的微纳米马达结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气泡溃灭高速射流推进的微纳米马达结构，属于微纳米马达技术领域；包含化学燃料1、工作介质通道2、排气泡腔3、气泡4、超声波系统8、待运输货物9与马达外壳10；所述待运输货物9安装在马达外壳10内部，在其间隙处装填有化学燃料1；气泡4位于排气泡腔3中，排气泡腔3在化学燃料1尾端；超声波系统8位于马达外壳10的外部。化学燃料1反应生气泡4，气泡4在脱离微纳米马达尾部时，超声波系统8产生超声波控制气泡4溃灭；气泡溃灭产生微射流及压力波冲击微纳米马达尾部壁面，从而驱动微纳米马达向前快速运动。本发明通过微射流及压力波来推进，使微纳米马达能获得极高的运动速度。

Description

一种基于气泡溃灭高速射流推进的微纳米马达结构

技术领域

本发明涉及微纳米马达技术领域，具体涉及一种基于气泡溃灭高速射流推进的微纳米马达结构。

背景技术

微纳米马达是一种能将自身携带或自身不同形式的能量转化为动能来驱动自身完成特定运动的微纳米装置。微纳米马达有着灵活的运动性能，表明它可在液体介质中完成装卸及运输各类特定的微纳米货物，因此可在医疗上运用于生物传感和药物运输等，在微纳米清洗及环境治理与保护等方面的运用也屡见不鲜。如此广泛的运用前景使得微纳米马达成为各国争相研究的重点。Whitesides最先进行了自驱动微纳米马达的研究，在过氧化氢溶液中用聚合物和铂条实现了微纳米马达的自驱动。随后，各国研究人员相继提出了多种驱动微纳米马达的方式，最常见的是外物理场驱动、化学驱动及混合动力物理场和化学驱动。其中，化学方法是一种最普遍且有效的方法，且常见的化学驱动方式主要有浓度梯度驱动、气泡驱动及自电泳驱动。气泡驱动微纳米马达是选取合适的化学燃料，通过化学反应产生气泡脱离微纳米马达而形成反作用推力来驱动微纳米马达运动。

虽然通过气泡驱动微纳米马达是一种有效的驱动方式，但微纳米马达在液体介质运动过程中存在粘性阻力，因此必定影响微纳米马达的运动效率，且通过气泡脱离微纳米马达所提供的能量也是很微小，实验表明微纳米马达速度最高可以达到2mm/s。有效提高纳米马达的运动速度对提高其使用效率有着重要的科学意义。研究表明，单个气泡溃灭时，产生的微射流速度可以高达1000m/s，且分裂成更小气泡时射流挤压产生的聚爆可产生很大的压力波，冲击波的压力可达101×10^4kpa～101×10^5kpa，能量极其高。为充分利用气泡溃灭的能力，提出一种基于气泡溃灭推进的微纳米马达结构，利用气泡在微纳米马达尾部壁面溃灭所产生的高速微射流及高强度的压力波来驱动微纳米马达，同时设计流线外型微纳米马达结构，提高其运动速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气泡溃灭高速射流推进的微纳米马达结构。

一种基于气泡溃灭高速射流推进的微纳米马达结构，包含化学燃料1、工作介质通道2、排气泡腔3、气泡4、超声波系统8、待运输货物9与马达外壳10；所述待运输货物9安装在马达外壳10内部，在其间隙处装填有化学燃料1；由化学燃料1反应产生的气泡4位于排气泡腔3中，排气泡腔3在化学燃料1尾端；用于在马达外壳10尾部破碎气泡4的超声波系统8位于马达外壳10的外部。

所述马达外壳10外形为流线型，并在其前部开有工作介质通道2，在其尾部开有喇叭形气泡扩散口。

所述待运输货物9与马达外壳10填充有化学燃料1并同时留有工作介质通道2。

本发明的有益效果在于：

1.将微纳米马达外形设计成符合流体力学特性的流线型，可以有效减小粘滞阻力，从而增加运动速度。

2.相比于传统运用气泡脱离产生反作用推力驱动微纳米马达，气泡溃灭所产生的微射流及压力波来推进微纳米马达能获得极高的运动速度。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

具体实施方式

此项发明涉及微纳米马达技术领域，其主要涉及微纳米马达推进技术。气泡驱动微纳米马达是装载在微纳米马达或微纳米马达自身的化学燃料通过化学反应产生气泡脱离微纳米马达而产生反作用推力来实现运动。气泡4的产生为微纳米马达提供动能，但仅由气泡4的脱离所提供的能量不足以让微纳米马达拥有更高效快速的运动。为使得微纳米马达拥有更高效快速的运动，通过超声波手段控制即将脱离微纳米马达壁面的气泡溃灭，由于气泡4溃灭射流速度极高，可以产生很高的反作用力。同时设计流线型微纳米马达外形，减少微纳米马达的粘滞阻力，有效提高微纳米马达的运动速度。

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本发明提供了一种基于气泡溃灭推进微纳米马达的结构，该结构如图1所示。形状在满足能提供最大效能的情况下设计成如图所示的流线型，尾部扩张段有利于气泡溃灭产生的微射流及压力波更有效的冲击推进微纳米马达。其具体工作是由微纳米马达内的化学燃料1与工作介质发生化学反应产生大量气泡，而后气泡逐步向微纳米马达尾部脱离，气泡脱离方向如图1中气泡脱离方向6所示。在脱离游移的过程中，通过超声波手段控制尾部壁面处的气泡破碎溃灭，气泡溃灭后所产生的微射流及由射流挤压产生的聚爆发射出的压力波不断冲击微纳米马达尾部壁面，从而推动微纳米马达按如图1中微纳米马达运动方向7所示方向高效快速的运动，气泡4溃灭射流和压力波方向如图1中微射流及压力波方向5所示。微纳米马达设计成流线型是为在行进过程中减小粘性阻力，其尾端内部采用对称弧形设计是为了更有效的发挥推进效率。气泡溃灭所用的超声波手段由外界超声波系统8发生装置产生。

实施例2：

一种基于气泡溃灭高速射流推进的微纳米马达结构，包含化学燃料1、工作介质通道2、排气泡腔3、气泡4、超声波系统8、待运输货物9与马达外壳10；所述待运输货物9安装在马达外壳内部，在其间隙处装填有化学燃料1；由化学燃料1反应产生的气泡4位于排气泡腔3中，排气泡腔3在化学燃料1尾端；用于在马达外壳10尾部破碎气泡4的超声波系统8位于马达外壳10的外部。

所述马达外壳10外形为流线型，并在其前部开有工作介质通道2，在其尾部开有喇叭形气泡扩散口。

所述待运输货物9与马达外壳10填充有化学燃料1并同时留有工作介质通道2。

实施例3：

1.微纳米马达的马达外壳10装载化学燃料1及待运输的货物9，化学反应开始，微纳米马达尾部出口产生气泡4。

2.气泡4在脱离微纳米马达尾部时，超声波系统8在外界表面产生超声波控制气泡4溃灭。

3.气泡溃灭产生许多微气泡的同时产生微射流及压力波冲击微纳米马达尾部壁面，从而驱动微纳米马达向前快速运动。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于气泡溃灭高速射流推进的微纳米马达结构，包含化学燃料(1)、工作介质通道(2)、排气泡腔(3)、气泡(4)、超声波系统(8)、待运输货物(9)与马达外壳(10)；其特征在于，所述待运输货物(9)安装在马达外壳内部，在其间隙处装填有化学燃料(1)；由化学燃料(1)反应产生的气泡(4)位于排气泡腔(3)中，排气泡腔(3)在化学燃料(1)尾端；用于在马达外壳(10)尾部破碎气泡(4)的超声波系统(8)位于马达外壳(10)的外部。

2.根据权利要求1所述的一种基于气泡溃灭高速射流推进的微纳米马达结构，其特征在于，所述马达外壳(10)外形为流线型，并在其前部开有工作介质通道(2)，在其尾部开有喇叭形气泡扩散口。

3.根据权利要求1所述的一种基于气泡溃灭高速射流推进的微纳米马达结构，其特征在于，所述待运输货物(9)与马达外壳(10)填充有化学燃料(1)并同时留有工作介质通道(2)。