Dispositivi meccatronici moderni, dai macchinari industriali ai robot, hanno visto un drastico aumento della complessità e della complessità. Con funzionalità sofisticate sbloccate ogni giorno che passa, c'è stato un inevitabile aumento del numero di componenti di cui i dispositivi hanno bisogno. E sebbene questi progressi siano innegabilmente impressionanti, l'ingombro e l'elevato numero di componenti sono un grosso ostacolo alla "miniaturizzazione" e all'economicità di questi dispositivi.

Ma cosa succede se, invece di utilizzare più componenti ingombranti, troviamo un modo più intelligente per costruirli? Questo è ciò che gli scienziati, tra cui il professor Shingo Maeda, Dr. Zebing Mao (Laboratorio di materiali intelligenti, Shibaura Institute of Technology) e il Dott. Vito Caccuciolo (Laboratorio Soft Transducers, Istituto di Microingegneria, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), hanno lavorato, in un recente studio pubblicato su Rapporti scientifici . Gli scienziati hanno esplorato la possibilità di vari componenti di un dispositivo elettromeccanico, come l'alimentatore, attuatori, e sistema di controllo, essendo ridotto a un singolo pezzo di idrogel. Nel fare ciò, sono riusciti a creare una pompa microfluidica autoazionata azionata solo da una reazione chimica oscillatoria, che ha prodotto con successo "olio pressurizzato" (che rappresenta il lavoro meccanico). Prof Maeda, che ha condotto lo studio, dice, "Proponiamo un nuovo metodo per realizzare una semplice funzione di pompaggio utilizzando un idrogel auto-oscillante monocomponente e una membrana".

Nel loro studio, gli scienziati si sono concentrati su un tipo unico di reazione chimica oscillatoria che appartiene alla classe di reazioni Belousov-Zhabotinsky (BZ). Convenzionalmente, una reazione chimica coinvolge un reagente che dà origine a un prodotto per raggiungere uno stato di equilibrio. Ma, reazioni BZ, che coinvolgono bromo e un agente ossidante, produrre un sistema che non raggiunge mai l'equilibrio chimico; Invece, va avanti e indietro tra i vari stati. In precedenza, i ricercatori avevano osservato che gli idrogel e altri polimeri che ospitano una reazione BZ (denominati gel BZ) erano in grado di muoversi autonomamente perché la reazione provocava lievi e periodici cambiamenti strutturali, mostrando così un grande potenziale nelle applicazioni meccatroniche. Ma, il loro uso pratico è stato finora impegnativo. Il prof Maeda spiega, "I gel BZ precedentemente riportati hanno mostrato uno spostamento molto piccolo e sono stati testati solo mentre erano immersi all'interno di bagni chimici, che limita chiaramente le loro potenziali applicazioni."

In questo nuovo studio, gli scienziati hanno superato questo ostacolo utilizzando un nuovo approccio, che è molto più promettente grazie a un'implementazione innovativa. Il Prof Maeda spiega la loro metodologia, "Primo, produciamo gel BZ e li prestiriamo, che aumenta il lavoro meccanico estraibile ad ogni ciclo BZ. Quindi, l'intero gel e la sua soluzione chimica circostante sono completamente incapsulati. Finalmente, il lavoro meccanico prodotto dal rigonfiamento e dalla contrazione del gel viene trasferito ad un olio esterno attraverso la deformazione di una membrana estensibile." Il risultato di questo è una pompa autoazionata unicamente dalla reazione oscillante che può muovere i fluidi avanti e indietro come un "cuore" artificiale per le macchine e producono lavoro meccanico sotto forma di olio pressurizzato. Gli scienziati hanno testato l'approccio sia virtualmente che sperimentalmente, dimostrando che il concetto proposto ha del potenziale.

Questo studio fa luce sui meccanismi fisici fondamentali dei gel BZ e indica un modo per migliorare le loro prestazioni meccaniche. È un passo importante per colmare il divario tecnologico che esiste per convertire l'energia chimica oscillante in energia meccanica per alimentare dispositivi utili. Alcuni esempi degni di nota di possibili applicazioni a lungo termine di pompe realizzate con gel BZ sono nel campo della microfluidica, compresi i sistemi di somministrazione dei farmaci, Microarray di DNA per la ricerca biomedica, e molti altri strumenti biotecnologici e nanotecnologici. La pompa autoazionata proposta dagli scienziati potrebbe fungere da fonte di energia monocomponente nei sistemi microfluidici, semplificando così il loro design, riducendo il loro costo, e ampliandone l'applicabilità.

Il team di ricerca è ottimista nel portare il proprio lavoro a un livello superiore in futuro, che comporterà l'ottimizzazione della loro progettazione attraverso metodi chimici e meccanici. Questa sarà la chiave per portare avanti un cambiamento di paradigma nella progettazione di dispositivi elettromeccanici assumendo una svolta più bio-ispirata. A questo proposito, Il prof Maeda conclude, "Le pompe autoazionanti promettono di rompere il muro di complessità affrontato da alcuni sistemi robotici con un numero crescente di funzioni, consentendo lo sviluppo di macchine multifunzionali veramente intelligenti."