Less is more:En blød, selvbetjent pumpe for at forenkle mekatroniske enheder

Moderne mekatroniske enheder, fra industrimaskiner til robotter, har set en drastisk stigning i kompleksitet og forviklinger. Med sofistikerede funktioner, der låses op for hver dag, der går, der har været en uundgåelig stigning i antallet af komponenter, som enhederne har brug for. Og selvom disse fremskridt unægtelig er imponerende, det store omfang og det store antal komponenter er en stor hindring for "miniaturiseringen" og omkostningseffektiviteten af ​​disse enheder.

Men hvad nu hvis i stedet for at bruge flere omfangsrige komponenter, finder vi en smartere måde at bygge dem på? Det er, hvad forskere, herunder prof Shingo Maeda, Dr. Zebing Mao (Smart Materials Laboratory, Shibaura Institute of Technology) og Dr. Vito Caccuciolo (Soft Transducers Laboratory, Institut for Mikroingeniør, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), har arbejdet på, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter . Forskerne undersøgte muligheden for forskellige komponenter i en elektromekanisk enhed - som strømforsyningen, aktuatorer, og kontrolsystem - reduceres til et enkelt stykke hydrogel. Ved at gøre dette, det lykkedes dem at oprette en selvaktiveret mikrofluidpumpe, der kun drives af en oscillerende kemisk reaktion, som med succes producerede 'trykolie' (der repræsenterer mekanisk arbejde). Prof Maeda, hvem ledede undersøgelsen, siger, "Vi foreslår en ny metode til at realisere en simpel pumpefunktion ved hjælp af en enkeltkomponent selvoscillerende hydrogel og en membran."

I deres undersøgelse, forskerne fokuserede på en unik type oscillerende kemisk reaktion, der tilhører Belousov-Zhabotinsky (BZ)-klassen af ​​reaktioner. Konventionelt, en kemisk reaktion involverer en reaktant, der giver anledning til, at et produkt når en tilstand af ligevægt. Men, BZ -reaktioner, der involverer brom og et oxidationsmiddel, producere et system, der aldrig når kemisk ligevægt; i stedet, det går frem og tilbage mellem forskellige stater. Tidligere, forskere havde observeret, at hydrogeler og andre polymerer, der huser en BZ -reaktion (betegnet BZ -geler), var i stand til autonom bevægelse, fordi reaktionen forårsagede små og periodiske strukturændringer, viser således et stort potentiale i mekatroniske applikationer. Men, deres praktiske anvendelse har været udfordrende indtil nu. Prof Maeda forklarer, "Tidligere rapporterede BZ-geler viste meget lille forskydning og blev kun testet, mens de var nedsænket i kemiske bade, hvilket klart begrænser deres potentielle anvendelser."

I denne nye undersøgelse, forskerne overvandt denne forhindring ved at bruge en ny tilgang, hvilket er meget mere lovende takket være en innovativ implementering. Prof Maeda forklarer deres metode, "Først, vi producerer BZ geler og forstrækker dem, hvilket øger det mekaniske arbejde, der kan ekstraheres ved hver BZ -cyklus. Derefter, hele gelen og dens omgivende kemiske opløsning er fuldstændig indkapslet. Endelig, det mekaniske arbejde, der frembringes af gelens hævelse og kontraktion, overføres til en ekstern olie gennem deformationen af ​​en strækbar membran." Resultatet af dette er en selvaktiverende pumpe udelukkende drevet af den oscillerende reaktion, der kan flytte væsker frem og tilbage som et kunstigt "hjerte" til maskiner og producerer mekanisk arbejde i form af trykolie. Forskerne testede fremgangsmåden både virtuelt og eksperimentelt, viser, at det foreslåede koncept rummer potentiale.

Denne undersøgelse kaster lys over de grundlæggende fysiske mekanismer af BZ-geler og indikerer en måde at forbedre deres mekaniske ydeevne på. Det er et vigtigt skridt hen imod at bygge bro over det teknologiske hul, der eksisterer for at konvertere oscillerende kemisk energi til mekanisk energi for at drive nyttige enheder. Nogle bemærkelsesværdige eksempler på mulige langsigtede anvendelser af pumper fremstillet ved hjælp af BZ-geler er inden for mikrofluidik, herunder lægemiddelleveringssystemer, DNA-mikroarrays til biomedicinsk forskning, og mange andre bioteknologiske og nanoteknologiske værktøjer. Den selvaktiverende pumpe foreslået af forskerne kunne fungere som en enkeltkomponent strømkilde i mikrofluidsystemer, derved forenkle deres design, reducere deres omkostninger, og udvide deres anvendelighed.

Forskerholdet er optimistisk med hensyn til at tage deres arbejde til næste niveau i fremtiden, som vil involvere optimering af deres design gennem kemiske og mekaniske metoder. Dette vil være nøglen til at frembringe et paradigmeskifte i designet af elektromekaniske enheder ved at tage en mere bio-inspireret drejning. I denne forbindelse Prof Maeda konkluderer, "Selvaktiverende pumper lover at bryde den mur af kompleksitet, som visse robotsystemer står over for med et stigende antal funktioner, muliggør udviklingen af ​​virkelig smarte multifunktionelle maskiner."