Animazione dalla simulazione che dimostra il controllo spazio-temporale dei rotori tramite una reazione a cascata. Il rotore rivestito in GOx (magenta) si trova sul lato sinistro della camera, mentre il rotore rivestito in CAT (verde) si trova sul lato destro. La mappa dei colori di sfondo indica la distribuzione spaziale di H 2 oh 2 nella soluzione a y =3 mm per le viste laterali e a z =0,4 mm per le viste dall'alto. L'introduzione di D-glucosio nella soluzione attiva il rotore rivestito in GOx, che si trasforma in una struttura 3D e inizia a ruotare spontaneamente. Il rotore rivestito in CAT rimane piatto e fermo. h 2 oh 2 è prodotto dalla prima reazione, che costituiscono il primo stadio della reazione a cascata. In presenza di H 2 oh 2 , Il rotore rivestito in CAT si attiva e inizia a ruotare, mentre il rotore rivestito di GOx diventa piatto e stazionario man mano che il glucosio nella soluzione si esaurisce. Col tempo, h 2 oh 2 nella soluzione si esaurisce e di conseguenza, il movimento del rotore rivestito in CAT si arresta e la lamiera si appiattisce. Credito:A. Laskar
L'ingranaggio è uno degli strumenti meccanici più antichi della storia umana e ha portato a macchine che vanno dai primi sistemi di irrigazione e orologi, ai motori moderni e alla robotica. Per la prima volta, i ricercatori della Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh hanno utilizzato una reazione catalitica che provoca un effetto bidimensionale, foglio rivestito chimicamente per "trasformarsi" spontaneamente in un ingranaggio tridimensionale che svolge un lavoro prolungato.
I risultati indicano il potenziale per sviluppare macchine a guida chimica che non si basano su energia esterna, ma richiedono semplicemente l'aggiunta di reagenti alla soluzione circostante. Pubblicato oggi sulla rivista Cell Press Questione , la ricerca è stata sviluppata da Anna C. Balazs, Illustre professore di ingegneria chimica e petrolifera e la cattedra di ingegneria John A. Swanson. L'autore principale è Abhrajit Laskar e il coautore è Oleg E. Shklyaev, entrambi associati post-dottorato.
"Gli ingranaggi aiutano a dare vita meccanica alle macchine; tuttavia, richiedono una sorta di alimentazione esterna, come vapore o elettricità, per eseguire un compito. Ciò limita il potenziale delle future macchine operanti in ambienti poveri di risorse o remoti, " Spiega Balazs. "La modellazione computazionale di Abhrajit ha dimostrato che la trasduzione chemio-meccanica (conversione dell'energia chimica in movimento) a fogli attivi presenta un nuovo modo per replicare il comportamento degli ingranaggi in ambienti senza accesso alle fonti di alimentazione tradizionali".
Animazione da simulazione che dimostra la dinamica di una lastra flessibile rivestita in CAT in H 2 oh 2 soluzione. CAT immobilizzato sul lenzuolo decompone H 2 oh 2 nella soluzione ospite a prodotti più leggeri (acqua e ossigeno), producendo così flussi fluidi spontanei. Questi flussi di fluido nella parte inferiore del dominio fluidico guidano il foglio flessibile 2D a sollevarsi al centro (più leggero dei nodi del bordo), formando una struttura 3D ideale (vedi vista laterale), che cattura il flusso e ruota in senso orario. Credito:A. Laskar
Nelle simulazioni, i catalizzatori sono posti in vari punti su un foglio bidimensionale che ricorda una ruota a raggi, con nodi più pesanti sulla circonferenza del foglio. Il foglio flessibile, circa un millimetro di lunghezza, viene quindi posto in una microcamera piena di liquido. Nella camera viene aggiunto un reagente che attiva i catalizzatori sulla "ruota" piana, facendo sì che il fluido fluisca spontaneamente. Il flusso del fluido verso l'interno spinge verso l'alto le sezioni più leggere del foglio, formando un rotore attivo che cattura il flusso e ruota.
"Ciò che è veramente distintivo di questa ricerca è l'accoppiamento di deformazione e propulsione per modificare la forma dell'oggetto per creare movimento, " Dice Laskar. "La deformazione dell'oggetto è fondamentale; vediamo in natura che gli organismi usano l'energia chimica per cambiare forma e muoversi. Perché il nostro foglio chimico si muova, deve anche trasformarsi spontaneamente in una nuova forma, che gli consente di catturare il flusso del fluido e svolgere la sua funzione."
Inoltre, Laskar e Shklyaev hanno scoperto che non tutte le parti dell'ingranaggio dovevano essere chimicamente attive perché si verificasse il movimento; infatti, l'asimmetria è fondamentale per creare movimento. Determinando le regole di progettazione per il posizionamento, Laskar e Shklyaev potrebbero dirigere la rotazione in senso orario o antiorario. Questo "programma" aggiunto ha permesso al controllo di rotori indipendenti di muoversi in sequenza o in un effetto a cascata, con sistemi di ingranaggi attivi e passivi. Questa azione più complessa è controllata dalla struttura interna dei raggi, e il posizionamento all'interno del dominio del fluido.
Trasmissione del moto rotatorio da un ingranaggio attivo a due ingranaggi passivi. In una camera fluida, un ingranaggio attivo può ruotare più ingranaggi passivi, che sono posizionati per rompere la simmetria del campo di flusso. Credito:A. Laskar
"Poiché un ingranaggio è un componente centrale di qualsiasi macchina, devi partire dalle basi, e ciò che Abhrajit ha creato è come un motore a combustione interna su scala millimetrica, " dice Shklyaev. "Anche se questo non alimenterà la tua auto, presenta il potenziale per costruire i meccanismi di base per guidare macchine chimiche su piccola scala e robot morbidi".
Nel futuro, Balazs indagherà su come l'organizzazione spaziale relativa di più ingranaggi possa portare a una maggiore funzionalità e potenzialmente alla progettazione di un sistema che sembra agire come se stesse prendendo decisioni.
"Più una macchina è lontana dal controllo umano, più è necessario che la macchina stessa fornisca il controllo per completare un determinato compito, " Balazs ha detto. "La natura chemio-meccanica dei nostri dispositivi consente che ciò avvenga senza alcuna fonte di alimentazione esterna".
Questi ingranaggi automorfici sono l'ultima evoluzione dei processi chemio-meccanici sviluppati da Balazs, Laskar, e Shklyaev. Altri progressi includono la creazione di fogli simili a granchi che imitano l'alimentazione, volo, e combattere le risposte; e lenzuola che ricordano un "tappeto volante" che avvolgono, patta, e strisciare.
