Moderne mechatronische apparaten, van industriële machines tot robots, hebben een drastische toename van complexiteit en complexiteit gezien. Met geavanceerde functionaliteiten die elke dag worden ontgrendeld, er is een onvermijdelijke toename van het aantal componenten dat de apparaten nodig hebben. En hoewel deze vorderingen onmiskenbaar indrukwekkend zijn, de enorme omvang en het grote aantal componenten vormen een grote belemmering voor de "miniaturisering" en kosteneffectiviteit van deze apparaten.

Maar wat als, in plaats van meerdere omvangrijke componenten te gebruiken, we een slimmere manier vinden om ze te bouwen? Dit is wat wetenschappers, waaronder Prof Shingo Maeda, Dr. Zebing Mao (laboratorium voor slimme materialen, Shibaura Institute of Technology) en Dr. Vito Caccuciolo (Soft Transducers Laboratory, Instituut voor Micro-engineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), hebben gewerkt, in een recente studie gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten . De wetenschappers onderzochten de mogelijkheid van verschillende componenten van een elektromechanisch apparaat, zoals de voeding, actuatoren, en controlesysteem - gereduceerd tot een enkel stuk hydrogel. Door dit te doen, ze zijn erin geslaagd een zelfaangedreven microfluïdische pomp te creëren die alleen wordt aangedreven door een oscillerende chemische reactie, die met succes 'olie onder druk' produceerde (wat staat voor mechanisch werk). Prof Maeda, die de studie leidde, zegt, "We stellen een nieuwe methode voor om een ​​eenvoudige pompfunctie te realiseren met behulp van een zelfoscillerende hydrogel uit één component en een membraan."

In hun studie hebben de wetenschappers concentreerden zich op een uniek type oscillerende chemische reactie die behoort tot de Belousov-Zhabotinsky (BZ) klasse van reacties. conventioneel, een chemische reactie omvat een reactant die aanleiding geeft tot een product om een ​​evenwichtstoestand te bereiken. Maar, BZ-reacties, waarbij broom en een oxidatiemiddel betrokken zijn, een systeem produceren dat nooit chemisch evenwicht bereikt; in plaats daarvan, het gaat heen en weer tussen verschillende staten. Eerder, onderzoekers hadden waargenomen dat hydrogels en andere polymeren die een BZ-reactie bevatten (genaamd BZ-gels) in staat waren tot autonome beweging omdat de reactie lichte en periodieke structurele veranderingen veroorzaakte, dus veel potentieel in mechatronische toepassingen. Maar, hun praktische gebruik was tot nu toe een uitdaging. Prof Maeda legt uit, "Eerder gemelde BZ-gels vertoonden een zeer kleine verplaatsing en werden alleen getest terwijl ze ondergedompeld waren in chemische baden, die hun potentiële toepassingen duidelijk beperkt."

In deze nieuwe studie de wetenschappers hebben deze hindernis overwonnen met een nieuwe aanpak, die dankzij een innovatieve implementatie veel kansrijker is. Prof Maeda legt hun methodologie uit, "Eerst, wij produceren BZ-gels en rekken deze voor, waardoor het mechanische werk dat bij elke BZ-cyclus kan worden geëxtraheerd, toeneemt. Vervolgens, de hele gel en de omringende chemische oplossing zijn volledig ingekapseld. Eindelijk, het mechanische werk dat wordt geproduceerd door het zwellen en samentrekken van de gel wordt overgebracht naar een externe olie door de vervorming van een rekbaar membraan." Het resultaat hiervan is een zelfaandrijvende pomp die uitsluitend wordt aangedreven door de oscillerende reactie die vloeistoffen heen en weer kan bewegen als een kunstmatig "hart" voor machines en produceren mechanisch werk in de vorm van olie onder druk. De wetenschappers testten de aanpak zowel virtueel als experimenteel, waaruit blijkt dat het voorgestelde concept potentie heeft.

Deze studie werpt licht op de fundamentele fysieke mechanismen van BZ-gels en geeft een manier aan om hun mechanische prestaties te verbeteren. Het is een belangrijke stap in de richting van het overbruggen van de technologische kloof die bestaat voor het omzetten van oscillerende chemische energie in mechanische energie om nuttige apparaten van stroom te voorzien. Enkele opmerkelijke voorbeelden van haalbare langetermijntoepassingen van pompen gemaakt met BZ-gels zijn op het gebied van microfluïdica, inclusief medicijnafgiftesystemen, DNA-microarrays voor biomedisch onderzoek, en vele andere biotechnologische en nanotechnologische hulpmiddelen. De zelfaandrijvende pomp die door de wetenschappers wordt voorgesteld, zou kunnen fungeren als een stroombron met één component in microfluïdische systemen, waardoor hun ontwerp wordt vereenvoudigd, het verminderen van hun kosten, en hun toepasbaarheid te verbreden.

Het onderzoeksteam is optimistisch om hun werk in de toekomst naar een hoger niveau te tillen, die de optimalisatie van hun ontwerp door middel van chemische en mechanische methoden inhouden. Dit zal de sleutel zijn om een ​​paradigmaverschuiving in het ontwerp van elektromechanische apparaten teweeg te brengen door een meer bio-geïnspireerde wending te nemen. In dit verband, Prof Maeda concludeert, "Zelfaandrijvende pompen zijn een voorbode om de muur van complexiteit te doorbreken waarmee bepaalde robotsystemen met een toenemend aantal functies worden geconfronteerd, waardoor de ontwikkeling van echt slimme multifunctionele machines mogelijk is."