Het tandwiel is een van de oudste mechanische gereedschappen in de menselijke geschiedenis en leidde tot machines variërend van vroege irrigatiesystemen en klokken, tot moderne motoren en robotica. Voor de eerste keer, onderzoekers van de University of Pittsburgh Swanson School of Engineering hebben een katalytische reactie gebruikt die een tweedimensionale, chemisch gecoate plaat om spontaan te "veranderen" in een driedimensionale versnelling die langdurig werk uitvoert.

De bevindingen wijzen op het potentieel om chemisch aangedreven machines te ontwikkelen die niet afhankelijk zijn van externe voeding, maar vereisen eenvoudig de toevoeging van reactanten aan de omringende oplossing. Vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Cell Press Materie , het onderzoek is ontwikkeld door Anna C. Balazs, Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering en de John A. Swanson Chair of Engineering. Hoofdauteur is Abhrajit Laskar en co-auteur is Oleg E. Shklyaev, beide postdoctorale medewerkers.

"Versnellingen helpen machines mechanisch leven te geven, maar ze hebben een soort externe kracht nodig, zoals stoom of elektriciteit, om een ​​taak uit te voeren. Dit beperkt het potentieel van toekomstige machines die werken in omgevingen met weinig middelen of op afstand, Balazs legt uit. "Abhrajit's computationele modellering heeft aangetoond dat chemo-mechanische transductie (omzetting van chemische energie in beweging) bij actieve platen een nieuwe manier is om het gedrag van tandwielen te repliceren in omgevingen zonder toegang tot traditionele energiebronnen."

In de simulaties katalysatoren worden op verschillende punten op een tweedimensionale plaat geplaatst die lijkt op een wiel met spaken, met zwaardere knopen op de omtrek van het blad. Het flexibele blad, ongeveer een millimeter lang, wordt vervolgens in een met vloeistof gevulde microkamer geplaatst. Aan de kamer wordt een reactant toegevoegd die de katalysatoren op het platte "wiel" activeert, waardoor de vloeistof spontaan gaat stromen. De binnenwaartse vloeistofstroom drijft de lichtere delen van de plaat omhoog, vormen een actieve rotor die de stroom opvangt en roteert.

"Wat echt onderscheidend is aan dit onderzoek is de koppeling van vervorming en voortstuwing om de vorm van het object te wijzigen om beweging te creëren, " zegt Laskar. "Vervorming van het object is de sleutel; we zien in de natuur dat organismen chemische energie gebruiken om van vorm te veranderen en te bewegen. Om ons chemisch blad te verplaatsen, het moet ook spontaan in een nieuwe vorm veranderen, waardoor het de vloeistofstroom kan opvangen en zijn functie kan uitoefenen."

Aanvullend, Laskar en Shklyaev ontdekten dat niet alle tandwielonderdelen chemisch actief hoefden te zijn om beweging te laten plaatsvinden; in feite, asymmetrie is cruciaal om beweging te creëren. Door de ontwerpregels voor de plaatsing te bepalen, Laskar en Shklyaev zouden de rotatie met de klok mee of tegen de klok in kunnen richten. Dit toegevoegde "programma" stelde de besturing van onafhankelijke rotoren in staat om sequentieel of in een cascade-effect te bewegen, met actieve en passieve versnellingssystemen. Deze meer complexe actie wordt gecontroleerd door de interne structuur van de spaken, en de plaatsing binnen het vloeistofdomein.

"Omdat een tandwiel een centraal onderdeel is van elke machine, je moet beginnen met de basis, en wat Abhrajit heeft gecreëerd is als een verbrandingsmotor op millimeterschaal, " Zegt Shklyaev. "Hoewel dit je auto niet van stroom zal voorzien, het biedt wel het potentieel om de basismechanismen te bouwen voor het aandrijven van kleinschalige chemische machines en zachte robots."

In de toekomst, Balazs zal onderzoeken hoe de relatieve ruimtelijke organisatie van meerdere versnellingen kan leiden tot meer functionaliteit en mogelijk een systeem ontwerpen dat lijkt te handelen alsof het beslissingen neemt.

"Hoe verder een machine verwijderd is van menselijke controle, hoe meer je de machine zelf nodig hebt om controle te geven om een ​​bepaalde taak te volbrengen, " zei Balazs. "De chemo-mechanische aard van onze apparaten laat dat gebeuren zonder enige externe stroombron."

Deze zelfveranderende tandwielen zijn de nieuwste evolutie van chemo-mechanische processen ontwikkeld door Balazs, Laskar, en Shklyaev. Andere ontwikkelingen zijn onder meer het maken van krabachtige vellen die voer nabootsen, vlucht, en vecht reacties; en lakens die lijken op een "vliegend tapijt" dat zich omwikkelt, klep, en kruipen.