Inžinieriai stato chemiškai varomus ratus, kad atliktų mechaninius darbus, kurie „paverčia“ pavaras

Pavarų keitimas į chemines mašinas

Pavaros yra viena seniausių mechaninių įrankių žmonijos istorijoje1 ir nuo ankstyvojo drėkinimo sistemų iki laikrodžių, iki modernių variklių ir robotikos. Pirmą kartą Pitsburge esančio Swansono universiteto inžinerijos mokyklos mokslininkai naudojo katalizinę reakciją, dėl kurios chemiškai padengtas dvimatis lakštas „morfuoja“ į save, paversdamas jį trimačiu pavara, atliekančia nuolatinį darbą.

Išvados rodo galimybę sukurti chemiškai varomas mašinas, kurios nėra pagrįstos išorine galia, tačiau į aplinkinį tirpalą reikia pridėti reagentų. Paskelbta 2020 m. Gruodžio 18 d. „Cell Press“ žurnale Tema, tyrimą sukūrė garsioji chemijos ir naftos inžinerijos profesorė Anna C. Balaces ir inžinerijos katedra John A. Swanson. Pagrindinis autorius yra Abhrajitas Laskaras ir bendraautorius Olegas E. Shklyaevas, abi podoktorantūros stipendijos.

Erdvinis-laiko rotorių valdymas

Imitacinė animacija, rodanti rotorių laiko ir laiko valdymą per kaskados reakciją. GOx padengtas rotorius (purpurinis) yra kairėje kameros dalyje, o CAT padengtas rotorius (žalias) – dešinėje. Fono spalvų žemėlapis rodo H2O2 erdvinį pasiskirstymą tirpale, kai šoniniai vaizdai yra y = 3 mm, o viršutiniai – z = 0,4 mm. D-gliukozės įvedimas į tirpalą suaktyvina GOx padengtą rotorių, paverčia jį 3D struktūra ir pradeda spontaniškai suktis. CAT padengtas rotorius lieka plokščias ir nejudantis. H2O2 susidaro pirmosios reakcijos metu, sudarant pirmąjį krioklio reakcijos etapą. H2O2 akivaizdoje CAT padengtas rotorius suaktyvėja ir pradeda suktis, kai GOx padengtas rotorius yra plokščias ir nejudantis, kai tirpale esanti gliukozė yra išeikvota. Laikui bėgant tirpalas taip pat išeikvoja H2O2 ir dėl to sustabdo CAT padengto rotoriaus judėjimą ir plokščią plokštelę. Autorius: A. Laskaras

„Krumpliaračiai mašinoms suteikia mechaninį gyvenimą; tačiau užduotims atlikti jiems reikalinga tam tikra išorinė galia, pavyzdžiui, garas ar elektra. Tai riboja būsimų mašinų, dirbančių mažai išteklių naudojančioje ar nuotolinėje aplinkoje, galimybes “, – aiškino Balazas. “

Atliekant modeliavimus, katalizatoriai dedami įvairiuose dviejų matmenų lakšto taškuose, panašiuose į ratą su spinduliais, su sunkesniais mazgeliais ant lakšto apskritimo. Lankstus, maždaug milimetro ilgio lakštas dedamas į skysčio pripildytą mikrokamerą. Į kamerą pridedamas reagentas, kuris suaktyvina „rato“ katalizatorius, kad skystis išeitų savaime. Vidinis skysčio srautas ištraukia lengviausias lapo dalis, suformuodamas aktyvų rotorių, kuris fiksuoja ir suka srautą.

Cheminės mašinos paruošimas

Imitacinė animacija, rodanti lankstaus CAT dengto lakšto dinamiką H2O2 tirpale. Lakšte neimobilizuotas CAT suyra į lengvesnius produktus (vandenį ir deguonį) H2O2-šeimininko tirpale, todėl atsiranda jos pačios skysčių srautai. Šie skysčiai teka į skysčio srities dugną, kad viduryje ištrauktų lankstų 2D lapą (lengvesnį už krašto mazgus), suformuodami tobulą 3D struktūrą (žr. Šoninį vaizdą), kuri fiksuoja srautą ir pasuka pagal laikrodžio rodyklę. . Autorius: A. Laskaras

„Šiame tyrime iš tiesų išskirtinis yra derinimas su deformacija ir varymu, norint pakeisti objekto formą, kad būtų sukurtas judėjimas“, – sako Laskaras. „Objekto deformacija yra raktas; gamtoje matome, kad organizmai naudoja cheminę energiją, kad pakeistų ir pajudintų savo formą. Kad mūsų cheminis lakštas galėtų judėti, jis turi būti pats savaime transformuojamas į naują formą, kuri leis jam užfiksuoti skysčių srautus ir atlikti savo funkciją “.

Be to, Laskaras ir Šklajevas nustatė, kad ne visos pavarų dalys turėjo būti chemiškai aktyvios, kad atsirastų judėjimas; iš tikrųjų asimetrija yra pagrindinis judėjimo sukūrimas. Nustatydami išdėstymo dizaino taisykles, Laskaras ir Šklyajevas gali nukreipti sukimąsi pagal laikrodžio rodyklę arba pagal laikrodžio rodyklę. Ši papildoma „programa“ leidžia valdyti nepriklausomus rotorius nuosekliai arba kaskados efektu tiek su aktyvia, tiek su pasyvia pavarų sistema. Šį sudėtingesnį veiksmą kontroliuoja vidinės spindulių struktūros ir jų vieta skysčio srityje.

Kelių pavarų judėjimas

Sukimosi judesio perdavimas iš aktyviosios pavaros į dvi pasyvias pavaras. Skysčio kameroje aktyvioji pavara gali pasukti keletą pasyvių pavarų, kurios dedamos sulaužyti srauto lauko simetriją. Autorius: A. Laskaras

„Kadangi pavara yra pagrindinis bet kurios mašinos komponentas, turite pradėti nuo pagrindų, o tai, ką sukūrė„ Abhrajit “, yra kaip milimetro skalės vidaus degimo variklis“, – sako Shklyaev. “Nors tai neveiks jūsų automobilio maitinimo šaltiniu, tačiau tai suteikia galimybę kurti nedidelio masto chemijos mašinas ir pagrindinius mechanizmus, leidžiančius valdyti minkštus robotus.”

Ateityje Balazas ištirs, ar kelių pavarų santykinis erdvinis išdėstymas gali būti funkcionalesnis, ir suprojektuos sistemą, kuri veiks tarsi priimdama sprendimus.

“Kuo mašina yra toliau nuo žmogaus valdymo, tuo labiau jums reikia atlikti konkrečią užduotį – valdyti pačią mašiną”, – sakė Balazas. “Chemomechaninis mūsų prietaisų pobūdis leidžia tai atsirasti be išorinio energijos šaltinio.”

Šios savęs morfuojančios pavaros yra naujausia Balazo, Laskaro ir Šklajevo sukurtų chemomechaninių procesų evoliucija. Kiti pasiekimai apima krabų formos puslapių, imituojančių pašarus, pabėgimą ir kovos su atsakais, sukūrimą; rinkti lapus, panašius į „skraidantį kilimą“, ženkliukus ir roplius.

Nuoroda: Abhrajit Laskar, Oleg E. Shklyaev ir Anna C. Balazs, „Automobilis, chemiškai varomi krumpliaračiai ir mašinos“, 2020 m. Gruodžio 18 d., Tema.
DOI: 10.1016 / j.matt.2020.11.04

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Naujos biologiškai įkvėptų, šviesą sugeriančių nanomedžiagų klasės sintezė

POSS-peptoido molekulės savaime susirenka į romboidinius nanokristalus. Paskola Stephanie King iliustracija Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinė laboratorija Gamtos įkvėpti Ramiojo vandenyno šiaurės...

Naujos priemonės, reikalingos augalų ligų prevencijai

Žiūrėkite užkrėstą kraują, kuris gali padėti apsaugoti maistą. Medžių ligos nesibaigia prie tautos sienų, o mylios vandenynų taip pat nesustabdo jų plitimo. Štai kodėl,...

Omega-3 derinimas su liaudies papildais gali pakenkti širdžiai

Gydytojai dažnai rekomenduoja omega-3, kurie padeda pacientams sumažinti cholesterolio kiekį ir pagerinti širdies sveikatą. Šie omega-3 gali būti iš riebių žuvų, tokių kaip...

Paviršių poveikis ploniems atominiams puslaidininkiams

Naudodami ultravioletinius spindulius, tyrėjai ištyrė 2-D puslaidininkių (violetinių) elektronines charakteristikas, nes duomenų žemėlapyje padidėja substrato sluoksnių (žalių) skaičius. Raudonas apskritimas žymi elektronines savybes, kurios...

Norėdami pagreitinti atradimą, didelio matmens infraraudonųjų spindulių mikroskopija išeina iš tinklelio

Plytelių rašto, naudojamo skenuoti C. elegans apvalųjį kirminą, pavyzdys. Netinklinis modelis suteikia atrankos algoritmui didesnį lankstumą greitai panaudojant dominančias sritis. Autoriai: Elizabeth...

Newsletter

Subscribe to stay updated.