Ingeniører bygger kemisk drevne hjul, der skifter til gear for at udføre mekanisk arbejde

Gearet er et af de ældste mekaniske værktøjer i menneskets historie og førte til maskiner lige fra tidlige kunstvandingssystemer og ure, til moderne motorer og robotik. For første gang, forskere ved University of Pittsburgh Swanson School of Engineering har udnyttet en katalytisk reaktion, der forårsager en todimensionel, kemisk belagt plade til spontant at "omforme" til et tredimensionelt gear, der udfører vedvarende arbejde.

Resultaterne indikerer potentialet for at udvikle kemisk drevne maskiner, der ikke er afhængige af ekstern strøm, men kræver simpelthen tilsætning af reaktanter til den omgivende opløsning. Udgivet i dag i Cell Press -tidsskriftet Stof , forskningen blev udviklet af Anna C. Balazs, Fremstående professor i kemi- og petroleumsteknik og John A. Swanson formand for teknik. Hovedforfatter er Abhrajit Laskar og medforfatter er Oleg E. Shklyaev, begge postdoktorer.

"Gear hjælper med at give maskiner mekanisk liv; de kræver en form for ekstern strøm, såsom damp eller elektricitet, at udføre en opgave. Dette begrænser potentialet for fremtidige maskiner, der opererer i ressourcefattige eller fjerntliggende miljøer, "Balazs forklarer." Abhrajits beregningsmodeller har vist, at kemomekanisk transduktion (omdannelse af kemisk energi til bevægelse) på aktive plader præsenterer en ny måde at replikere gears adfærd i miljøer uden adgang til traditionelle strømkilder. "

I simuleringerne katalysatorer placeres på forskellige punkter på et todimensionalt ark, der ligner et hjul med eger, med tungere noder på arkets omkreds. Det fleksible ark, cirka en millimeter i længden, placeres derefter i et væskefyldt mikrokammer. En reaktant tilsættes til kammeret, der aktiverer katalysatorerne på det flade "hjul", derved får væsken til at strømme spontant. Den indadgående væskestrøm driver de lettere sektioner af arket til at dukke op, danner en aktiv rotor, der fanger strømmen og roterer.

"Det, der virkelig er karakteristisk ved denne forskning, er koblingen af ​​deformation og fremdrift til at ændre objektets form for at skabe bevægelse, "Laskar siger." Deformation af objektet er nøglen; vi ser i naturen, at organismer bruger kemisk energi til at ændre deres form og bevæge sig. For at vores kemiske ark kan flytte, det skal også spontant forvandle sig til en ny form, som gør det muligt at fange væskestrømmen og udføre sin funktion. "

Derudover Laskar og Shklyaev fandt ud af, at ikke alle geardele skulle være kemisk aktive for at bevægelse kunne forekomme; faktisk, asymmetri er afgørende for at skabe bevægelse. Ved at fastsætte designreglerne for placeringen, Laskar og Shklyaev kunne dirigere rotationen til at være med eller mod uret. Dette tilføjede "program" gjorde det muligt for kontrollen af ​​uafhængige rotorer at bevæge sig sekventielt eller i en kaskadeeffekt, med aktive og passive gearsystemer. Denne mere komplekse handling styres af den interne struktur af egerne, og placeringen inden for væskedomænet.

"Fordi et gear er en central komponent i enhver maskine, du skal starte med det grundlæggende, og hvad Abhrajit har skabt er som en forbrændingsmotor i millimeterskalaen, "Siger Shklyaev." Selvom dette ikke driver din bil, det giver potentiale til at bygge de grundlæggende mekanismer til at køre små kemiske maskiner og bløde robotter. "

I fremtiden, Balazs vil undersøge, hvordan den relative rumlige organisation af flere gear kan føre til større funktionalitet og potentielt designe et system, der ser ud til at fungere, som om det var ved at træffe beslutninger.

"Jo mere fjerntliggende en maskine er fra menneskelig kontrol, jo mere du har brug for selve maskinen til at levere kontrol for at fuldføre en given opgave, "Sagde Balazs." Den kemo-mekaniske karakter af vores enheder tillader, at det sker uden nogen ekstern strømkilde. "

Disse selvforandrende gear er den seneste udvikling af kemo-mekaniske processer udviklet af Balazs, Laskar, og Shklyaev. Andre fremskridt omfatter oprettelse af krabbelignende ark, der efterligner foder, flyvningen, og bekæmp svar; og lagner, der ligner et "flyvende tæppe", der vikles, klap, og krybe.