Theoretical and Experimental Investigations of Ferrofluids Focusing on Locomotion Systems

Popp, Jana

Basierend auf Bewegungsformen wie sie von biologischen Systemen bekannt sind, diemit Hilfe von (periodischer) Gestaltänderung Fortbewegung erzielen, und der kontrollierbarenOberflächendeformation von Ferrofluiden, werden die MöglichkeitenFerrofluide für Lokomotionszwecke zu nutzen untersucht. Dies wird belegt durchdetaillierte Auseinandersetzung und Verweise auf entsprechende Literatur.Großes Gewicht wird auf die technische Implementierung gesetzt unddie daraus erwachsenden Problemfelder. Daher werden neben einemausführlichen theoretischen Teil, in dem ein magnetfeldinduzierter peristaltischerMaterialtransport einer magnetischen Flüssigkeit analytisch betrachtet wird, auchweitläufig praktisch-experimentelle Untersuchungen angestellt.Wichtige Größen wie ferrofluiderzeugte Kräfte und Drücke werden messtechnischfür den Allgemeinfall ermittelt. Hierbei wird unterschieden zwischen Systemen, die mit lokal bewegten Ferrofluidportionen anderen Objekten zur Lokomotion verhelfen(passive Lokomotionssysteme) und Systemen, deren mobile Ferrofluidportionenselbst Position und Lage verändern (aktive Lokomotionssysteme). Anhandvon Prototypen werden Prinzipien und Funktionsparameter gesondert analysiertund diskutiert. Diese speziellen Untersuchungen werden teilweise durch analytische und numerische Modelle gestützt.Auf zwei Kernprobleme wird aufmerksam gemacht: Ferrofluide generieren geringenutzbare Kräfte und aufgrund der starken Adhäsion ist eine schützende Einkapselungnotwendig. Zwei Untersuchungen gehen hierauf ein. Mit der Idee, eine Steigerungder nutzbaren Kräfte hervorzurufen, wird die Verstärkung der Oberflächendeformation,die im Magnetfeld durch das Einführen hochpermeabler Körperhervorgerufen wird, analytisch und experimentell untersucht. Weiterhin wird einExperiment vorgestellt, welches die Einkapselung des Ferrofluids umgeht. Hier istein Ferrofluidaktor eingebettet in einer Zweitflüssigkeit und treibt diese zur Kanalströmung an.Mit Referenz auf die Grundidee ferrofluidbasierter Lokomotion werden die Teiluntersuchungen zusammengefasst. Vor dem Hintergrund, dass dienachteiligen Eigenschaften des Materials bislang nicht beherrscht werden, bleibt esabzuwarten inwiefern sich technische Lösungen ferrofluidbasierten Lokomotionssystemeverbreiten werden. Im Ausblick wird auf vielversprechende Entwicklungen magnetosensitiverElastomere und Gele aufmerksam gemacht.

On basis of the forms of motion known by biological systems, which periodicallyalter their shape to achieve locomotion, and the controllable deformation of the surfaceof ferrofluids, the usage of ferrofluids for locomotion purposes are analyzed. Adetailed discussion and references to the literature are given.The emphasis is put at the technical implementation and its subsequent problems.For this reason intensive practical-experimental analyses support the issue. In anextensive theoretical part the peristaltic transport of a magnetizable fluid, which isinduced by an alternating magnetic field, is analytically investigated.Experiments and measurements concern the determination of ferrofluid generatedforces and pressure in general. For this, a classification is used distinguishing betweensystems, which include an immobile ferrofluid volume assisting other objects toperform locomotion (passive locomotion system), and systems incorporating mobileferrofluid portions (active locomotion system). Principles and functional parametersare specially analyzed and discussed for prototypes. Additional analytic andnumeric models support these analyses.The core problems are pointed out: Ferrofluids generate insufficient forces and aprotective cover is required due to strong adhesion. Two subjects regard to theseissues. Following the idea of higher forces, the surface deformation of a magnetizablefluid, which is enhanced in the magnetic field by insertion of a high permeablecore, is analytically and experimentally investigated. Furthermore, an experimentis presented, which avoids the problem of covering the ferrofluid. Here, a ferrofluidactuator is immersed in a secondary fluid and propels the latter to a channel flow.With regard to the basic idea of ferrofluid based locomotion, the various projects aresummarized. With the background of unfavorable properties of the ferrofluid it remainsto be seen, whether technical solutions of ferrofluid based locomotion systemswill be widely used. The preview shows a promising development of ferroelastomersand -gels.

Zitieren

Zitierform:

Popp, Jana: Theoretical and Experimental Investigations of Ferrofluids Focusing on Locomotion Systems. 2014.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Export