推動機械工程進步的「化學齒輪」

2020-12-22 科技工作者

通過化學級聯反應控制化學齒輪。


齒輪是人類歷史上最古老的機械工具之一，不論是在早期灌溉系統、鐘錶中，還是在現代發動機和機器人中，都不難找到齒輪的蹤影。

phys.org網站當地時間12月18日報導，美國匹茲堡大學的研究人員首次利用催化反應，使塗覆有化學塗層的二維薄板自發地「變形」為三維齒輪，從而完成了持續性工作。

該成果有可能促成化學驅動機器的開發——它們不依靠外部動力，只需通過添加反應物運轉。相關研究成果同日刊發在《Matter》雜誌中。

「齒輪賦予機器機械生命。然而，它們還需要外部動力推動——例如蒸汽或電力，才能執行任務。這限制了未來機器在資源貧乏地區或偏遠地區的應用潛能。」論文作者Anna C. Balazs教授解釋，「Abhrajit Laskar提出的計算模型表明，化學-機械轉換可能是一種複製齒輪功能的新驅動方式，它將幫助我們擺脫傳統電源。」

在模擬實驗中，研究人員將催化劑放置在類輪輻二維柔性薄片的不同位置，然後將其放入充滿液體的微型反應室中。接著，研究人員將反應物加入反應室內，激活催化劑，從而使流體自發流動。內向流體驅動薄片的輕質部分彈出，形成主動轉子，捕捉流動並推動旋轉。

論文作者Laskar說：「這項研究的亮點在於『變形』和『推動』的耦合作用，即通過改變物體形狀來產生運動。在自然界中，我們能看到很多生物利用化學能改變自身形狀和運動方式的例子。想要讓化學薄片移動，它也必須自發地產生形變。」

研究人員還發現，並非所有齒輪部件都需要具備化學活性才能產生運動，事實上，不對稱性對於產生運動也十分重要。通過調整催化劑放置規則，Laskar等能夠控制齒輪旋轉方向。這一附加「程式」使獨立轉子能夠以順序或級聯方式運轉。而通過調整輪輻的內部結構和流體域位置，研究人員可以讓化學齒輪完成更複雜的動作。

Shklyaev說：「齒輪是機器的核心部件。我們設計的化學齒輪就像毫米級的內燃機，雖然它不能為汽車提供動力，但卻為設計小型化學機器和軟機器人的基本驅動機制提供了借鑑。」

在下一階段，Balazs教授等進一步改善化學齒輪，例如研究多齒輪的空間組織與功能強化的關係。

Balazs說：「機器距離人類控制越遠，對機器的自主化要求就越高。我們設計的化學機械，正是為此服務的。」

編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《Matter》

期刊編號：2590-2385

原文連結：https://phys.org/news/2020-12-chemically-driven-wheels-morph-gears.html

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