Forskere udvikler selvdrevet mikrofluidisk ark, der omslutter, klapper og kryb

Det "trylletæppe", der er med i fortællinger fra "Tusind og en nat" til Disneys "Aladdin", fanger fantasien, ikke kun fordi det kan flyve, men fordi den også kan bølge, klap, og ændre dens form for at tjene dens ryttere. Med den inspiration, og hjælp til katalytiske kemiske reaktioner i opløsninger, et team fra University of Pittsburghs Swanson School of Engineering har designet en todimensionel, formændrende ark, der bevæger sig autonomt i en reaktantfyldt væske.

Artiklen, "Designer selvkørende, kemisk aktive ark:Indpakninger, flapper og slyngplanter, " blev offentliggjort for nylig i AAAS-tidsskriftet Videnskabens fremskridt . Hovedefterforsker er Anna C. Balazs, John A. Swanson Chair og Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering ved Swanson School. Hovedforfatter er Abhrajit Laskar, og medforfatter er Oleg E. Shklyaev, begge post-doc associerede.

"Det har længe været en udfordring i kemi at skabe et ikke-levende objekt, der bevæger sig af sig selv i et miljø, som igen ændrer objektets form, giver den mulighed for at udføre helt nye opgaver, som at fange andre genstande, " Dr. Balazs forklarede. "Forskere har tidligere lavet kemisk aktive pletter på en overflade, der kunne generere væskestrøm, men strømmen påvirkede ikke placeringen eller formen af ​​plasteret. Og i vores eget laboratorium har vi modelleret sfæriske og rektangulære partikler, der kan bevæge sig autonomt i et væskefyldt mikrokammer. Men nu har vi dette integrerede system, der bruger en kemisk reaktion til at aktivere den flydende bevægelse, der samtidig transporterer en fleksibel genstand og "skulpterer" dens form, og det hele sker selvstændigt."

Gruppen opnåede denne bedrift med selvfremdrift og rekonfiguration ved at introducere en belægning af katalysatorer på den fleksible plade, som er nogenlunde bredden af ​​et menneskehår. Tilsætning af reaktanter til den omgivende væske igangsætter både tæppets bevægelse og ændringerne af dets form. "Så vidt vi ved, dette er første gang, disse katalytiske kemiske reaktioner er blevet anvendt på 2-D ark for at generere strømme, der transformerer disse ark til mobile, 3D objekter, " sagde Dr. Balazs.

Yderligere, ved at placere forskellige katalysatorer på specifikke områder af pladen og kontrollere mængden og typen af ​​reaktanter i væsken, gruppen skabte en nyttig kaskade af katalytiske reaktioner, hvor én katalysator nedbryder et tilknyttet kemikalie, som derefter bliver en reaktant for den næste af sættet af katalytiske reaktioner. Tilføjelse af forskellige reaktanter og design af passende konfigurationer af arket giver mulighed for en række handlinger - i denne undersøgelse, indpakning af en genstand, laver en flagrende bevægelse, og vælter over forhindringer på en overflade.

"En mikrofluidisk enhed, der indeholder disse aktive ark, kan nu udføre vitale funktioner, såsom at shuttle last, tager fat i en blød, sart genstand, eller endda krybe med for at rense en overflade, Dr. Shklyaev sagde. "Disse fleksible mikromaskiner omdanner simpelthen kemisk energi til spontan rekonfiguration og bevægelse, som sætter dem i stand til at udføre et repertoire af nyttige job."

Dr. Laskar tilføjede, at hvis arket skæres i form af en blomst med fire kronblade og placeres på overfladen af ​​en mikrofluidisk enhed, kronbladenes kemi kan "programmeres" til at åbne og lukke individuelt, skabe porte, der udfører logiske operationer, samt generere særlige væskestrømme for at transportere partikler gennem enheden.

"For eksempel, som en fangerhandske kan du bruge blomstens kronblade til at fange en mikroskopisk kugle og holde den i en begrænset tid, start derefter en ny kemisk reaktion på et andet sæt kronblade, så bolden bevæger sig mellem dem i et kemisk styret fangstspil, " Dr. Laskar forklarede. "Dette niveau af rumlig og tidsmæssig kontrol giver mulighed for iscenesatte reaktioner og analyser, som du ellers ikke kunne udføre med ikke-deformerbare materialer."

Gruppen eksperimenterede også med placeringen af ​​katalysatoren på forskellige dele af arket for at skabe specifikke bevægelser. I et eksperiment, placere katalysatoren på kun arkets krop, i stedet for hoved og hale, udløste en krybende bevægelse, der uhyggeligt ligner bevægelsen af ​​en tommeorm. I en anden erkendelse, når der blev placeret forhindringer foran det belagte ark, den ville vælte over forhindringen og fortsætte med at bevæge sig, giver den mulighed for at krydse et ujævnt terræn.

"Denne forskning giver os yderligere indsigt i, hvordan kemi kan drive autonom, spontan aktivering og bevægelse i mikrofluidiske enheder, " Dr. Balazs sagde. "Vores næste opgave er at udforske mikrofabrikation ved at bruge interaktionen og selvorganiseringen af ​​flere ark til at bringe dem sammen til specifikke arkitekturer designet til at udføre komplekse, koordinerede funktioner. Også, ved at eksperimentere med forskellige stimuli såsom varme og lys, vi kan designe mobil, 3-D mikromaskiner, der tilpasser deres form og handling til ændringer i miljøet. Dette niveau af lydhør adfærd er afgørende for at skabe den næste generation af bløde robotenheder."