Механизм — один из старейших механических инструментов в истории человечества номер один, благодаря которому были созданы самые разные машины — от первых оросительных систем и часов до современных двигателей и робототехники. Впервые исследователи из инженерной школы Университета Питтсбурга Суонсон использовали каталитическую реакцию, которая заставляет двухмерный лист с химическим покрытием самопроизвольно "трансформироваться" в трехмерную шестеренку, которая выполняет длительную работу.
Полученные данные указывают на возможность разработки машин с химическим приводом, которые не зависят от внешней энергии, а просто требуют добавления реагентов в окружающий раствор. Исследование, опубликованное на Phys.org, было проведено Анной С. Балаз, заслуженным профессором химической и нефтяной инженерии и кафедрой инженерии Джона А. Свенсона. Ведущий автор работы Абхраджит Ласкар, а соавтором выступил Олег Э. Шкляев, оба постдокторанты.
Шестерни помогают придать машинам механическую жизнь. Однако для выполнения задачи им требуется какая-то внешняя энергия, например пар или электричество. Это ограничивает потенциал будущих машин, работающих в бедных ресурсами или удаленных средах. Вычислительное моделирование Абхраджита показало, что химио-механическая трансдукция (преобразование химической энергии в движение) на активных листах представляет собой новый способ воспроизвести поведение шестерен в условиях без доступа к традиционным источникам энергии.
При моделировании катализаторы размещаются в различных точках на двухмерном листе, напоминающем колесо со спицами, с более тяжелыми узлами на окружности листа. Затем гибкий лист длиной около миллиметра помещают в микрокамеру, заполненную жидкостью. В камеру добавляется реагент, который активирует катализаторы на плоском "колесе", тем самым вызывая самопроизвольный поток жидкости. Входящий поток жидкости заставляет более легкие части листа всплывать, образуя активный ротор, который улавливает поток и вращается.
Что действительно отличает это исследование, так это сочетание деформации и движения для изменения формы объекта для создания движения. Деформация объекта является ключевым фактором. Мы видим в природе, что организмы используют химическую энергию для изменения своей формы и движения. Чтобы наш химический лист мог двигаться, он также должен спонтанно трансформироваться в новую форму, которая позволяет ему улавливать поток жидкости и выполнять свою функцию.
Кроме того, Ласкар и Шкляев обнаружили, что не все части шестерен должны быть химически активными для движения; Фактически, асимметрия имеет решающее значение для создания движения. Определяя правила проектирования для размещения, Ласкар и Шкляев могли указать вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки. Эта добавленная «программа» позволяла управлять независимыми роторами для последовательного или каскадного движения с активными и пассивными системами передачи. Это более сложное действие контролируется внутренней структурой спиц и их расположением внутри жидкой области.
Поскольку шестерня является центральным компонентом любой машины, вам нужно начинать с основ, а то, что создал Абхраджит, похоже на двигатель внутреннего сгорания в миллиметровом масштабе», — говорит Шкляев. Хотя это не будет приводить в действие ваш автомобиль, он дает возможность создать базовые механизмы для управления небольшими химическими машинами и мягкими роботами.
В будущем Балаш исследует, как относительная пространственная организация нескольких шестерен может привести к большей функциональности и, возможно, спроектировать систему, которая будет действовать так, как если бы она принимала решения.
Чем дальше машина находится от контроля человека, тем больше вам нужна сама машина, чтобы обеспечить управление для выполнения данной задачи. Химио-механическая природа наших устройств позволяет это делать без какого-либо внешнего источника питания.
