Колеса с химическим приводом «превращаются» в шестерни

Университет Питтсбурга, Пенсильвания

Механизм является одним из старейших механических инструментов и привел к появлению самых разных машин: от первых ирригационных систем и часов до современных двигателей и робототехники. Исследователи использовали каталитическую реакцию, которая заставляет двумерный лист с химическим покрытием самопроизвольно «превращаться» в трехмерную шестерню, выполняющую продолжительную работу.

Полученные результаты указывают на потенциал разработки машин с химическим приводом, которые не полагаются на внешнюю энергию, а просто требуют добавления реагентов в окружающий раствор. Компьютерное моделирование показало, что химико-механическая трансдукция (преобразование химической энергии в движение) на активных листах представляет собой новый способ воспроизвести поведение шестерен в средах без доступа к традиционным источникам энергии.

В моделировании катализаторы размещаются в различных точках двумерного листа, напоминающего колесо со спицами, с более тяжелыми узлами по окружности листа. Гибкий лист длиной примерно миллиметр затем помещают в микрокамеру, заполненную жидкостью. В камеру добавляется реагент, который активирует катализаторы на плоском «колесе», тем самым вызывая самопроизвольное течение жидкости. Внутренний поток жидкости заставляет более легкие части листа подниматься вверх, образуя активный ротор, который улавливает поток и вращается.

В природе организмы используют химическую энергию, чтобы изменять свою форму и двигаться. Чтобы новый химический слой начал двигаться, он также должен самопроизвольно принять новую форму, которая позволит ему улавливать поток жидкости и выполнять свою функцию.

Команда обнаружила, что не все детали шестерни должны быть химически активными, чтобы произошло движение; на самом деле асимметрия имеет решающее значение для создания движения. Определив правила проектирования размещения, исследователи могли направить вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки. Эта добавленная «программа» позволяла управлять независимыми роторами, которые двигались последовательно или каскадно, с помощью активных и пассивных систем передач. Это более сложное действие контролируется внутренней структурой спиц и их расположением в жидкой области.

В будущем исследователи будут исследовать, как относительная пространственная организация нескольких механизмов может привести к большей функциональности, потенциально создавая систему, которая будет действовать так, как если бы она принимала решения.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Полом Ковачем по адресу: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript..

Эта статья впервые появилась в июньском номере журнала Tech Briefs Magazine за 2023 год.

Больше статей из архива читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ