Ang mga inhinyero ay nagtatayo ng mga gulong na hinimok ng kemikal na “nagiging” gears upang maisagawa ang gawaing mekanikal

Pag-uuri sa mga makina ng kemikal

Ang gear ay isa sa pinakalumang kagamitang mekanikal sa kasaysayan ng tao1 at humantong sa mga makina mula sa maagang mga sistema ng irigasyon at mga orasan hanggang sa mga modernong makina at robot. Sa kauna-unahang pagkakataon, ang mga mananaliksik sa University of Pittsburgh Swanson School of Engineering ay gumamit ng catalytic reaksyon na naging sanhi ng isang dalawang-dimensional, sheet na pinahiran ng kemikal na kusang “nagbago” sa isang three-dimensional na pag-convert na nagsagawa ng permanenteng trabaho.

Ang mga natuklasan ay nagmumungkahi ng potensyal na bumuo ng mga makina na pinapatakbo ng kemikal na hindi umaasa sa panlabas na enerhiya ngunit nangangailangan lamang ng pagdaragdag ng mga reactant sa nakapalibot na solusyon. Nai-publish noong Disyembre 18, 2020 sa Cell Press Misa, ang pananaliksik ay binuo ni Anna C. Balazs, isang kilalang propesor ng engineering ng kemikal at petrolyo at chairman ng engineering para kay John A. Swanson. Ang pangunahing may-akda ay si Abhrajit Laskar at kapwa akda ni Oleg E. Shklyaev, parehong mag-aaral na postdoctoral.

Pagkontrol ng spatio-temporal ng mga rotors

Ang animasyon mula sa isang simulation na nagpapakita ng spatiotemporal control ng rotors ng isang reaksyon ng kaskad. Ang rotor na pinahiran ng GOx (magenta) ay nakalagay sa kaliwang bahagi ng silid, habang ang CAT (berde) na pinahiran na rotor ay namamalagi sa kanang bahagi. Ipinapahiwatig ng mapa ng kulay ng background ang spatial na pamamahagi ng H2O2 sa solusyon sa y = 3 mm para sa mga view ng gilid at sa z = 0.4 mm para sa mga nangungunang view. Ang pagpapakilala ng D-glucose sa solusyon ay nagpapagana ng rotor na pinahiran ng GOx, na nagbabago sa isang istrakturang 3D at nagsimulang paikutin nang kusa. Ang rotor na sakop ng CAT ay nananatiling patag at nakatigil. Ang H2O2 ay ginawa ng unang reaksyon, na siyang unang hakbang ng reaksyon ng kaskad. Sa pagkakaroon ng H2O2, ang CAT-coated rotor ay naaktibo at nagsisimulang paikutin, habang ang GOx-coated rotor ay nagiging patag at nakatigil habang ang solusyon ng glucose ay naubos. Sa paglipas ng panahon, ang H2O2 sa solusyon ay naubos din, at pagkatapos ay ang rotor na pinahiran ng CAT ay tumigil at ang talim ay magiging patag. Kredito: A. Laskar

“Ang mga gears ay tumutulong na bigyan ang machine ng buhay mekanikal;” gayunpaman, nangangailangan sila ng ilang uri ng panlabas na supply ng kuryente, tulad ng singaw o kuryente, upang maisagawa ang gawain. Nililimitahan nito ang potensyal ng mga makina sa hinaharap na tumatakbo sa mababa o malayong mga kapaligiran, “paliwanag ni Balazs. “Ang pagmomodelo ng computational ni Abhrajit ay ipinakita na ang chemo-mechanical transduction (pagbabago ng enerhiya ng kemikal sa paggalaw) sa mga aktibong dahon ay isang bagong paraan upang makopya ang pag-uugali ng gear sa mga kapaligiran na walang pag-access sa tradisyunal na mapagkukunan ng enerhiya.”

Sa mga simulation, ang mga catalista ay inilalagay sa iba’t ibang mga punto sa isang dalawang-dimensional na sheet na kahawig ng isang gulong na may mga tagapagsalita, na may mas mabibigat na mga node sa paligid ng sheet. Ang isang nababaluktot na sheet na humigit-kumulang na millimeter ang haba ay naipasok sa isang microchamber na puno ng likido. Ang isang reactant ay idinagdag sa silid, na nagpapagana ng mga catalista sa isang patag na “gulong”, na nagiging sanhi ng kusang pagdaloy ng likido. Ang pagdaloy sa likido ay nagtutulak sa mga mas magaan na bahagi ng talim upang mag-pop out at bumuo ng isang aktibong rotor na nakakakuha ng daloy at umiikot.

Paghahanda ng isang makina ng kemikal

Ang animasyon mula sa isang simulation na nagpapakita ng mga dynamics ng isang kakayahang umangkop na sheet na pinahiran ng CAT sa H2O2 na solusyon. Ang CAT na hindi gumagalaw sa plato ay nabubulok ang H2O2 sa host solution sa mas magaan na mga produkto (tubig at oxygen), na lumilikha ng isang kusang daloy ng likido. Ang mga likidong daloy na ito sa ilalim ng likido na domain ay hinihimok ang 2D na kakayahang umangkop na pelikula upang lumabas sa gitna (mas magaan kaysa sa mga gilid ng node) at lumikha ng isang perpektong istraktura ng 3D (tingnan ang paningin sa gilid) na nakukuha ang daloy at umiikot nang pakanan. . Kredito: A. Laskar

“Ano talaga ang katangian ng pananaliksik na ito ay ang kombinasyon ng pagpapapangit at paghimok upang ayusin ang hugis ng bagay upang lumikha ng paggalaw,” sabi ni Laskar. “Ang pagpapapangit ng isang bagay ay susi; nakikita natin sa kalikasan na ang mga organismo ay gumagamit ng enerhiya ng kemikal upang mabago ang hugis at paggalaw. Upang gumalaw ang aming sheet ng kemikal, dapat din itong kusang bumago sa isang bagong hugis na nagpapahintulot sa ito na makuha ang daloy ng likido at maisagawa ang pagpapaandar nito.”

Bilang karagdagan, natagpuan nina Laskar at Shklyaev na hindi lahat ng mga bahagi ng paghahatid ay dapat na aktibo sa kemikal upang lumipat; sa katunayan, ang kawalaan ng simetrya ay mahalaga para sa paglikha ng paggalaw. Sa pamamagitan ng pagtatakda ng mga panuntunan sa disenyo para sa paglalagay, nakapagdirekta si Laskar at Shklyaev ng pag-ikot ng pakaliwa o pakaliwa. Pinayagan ng idinagdag na “programa” ang pagkontrol ng mga independiyenteng rotors ng isang unti-unti o kaskad na epekto sa mga aktibo at passive transmission system. Ang mas kumplikadong aksyon na ito ay kinokontrol ng panloob na istraktura ng mga ray at kanilang lokasyon sa fluid domain.

Kilusan na may maraming mga gears

Paghahatid ng paikot na paggalaw mula sa mga aktibong gear hanggang sa dalawang passive gears. Sa isang likidong kamara, ang isang aktibong gamit ay maaaring paikutin ang maramihang mga passive gears na nakaposisyon upang makagambala sa mahusay na proporsyon ng daloy ng patlang. Kredito: A. Laskar

“Dahil ang gearbox ay isang sentral na elemento ng bawat machine, kailangan mong magsimula mula sa simula, at ang nilikha ni Abhrajit ay tulad ng isang millimeter-scale internal combustion engine,” sabi ni Shklyaev. “Bagaman hindi ito magpapagana sa iyong sasakyan, may potensyal itong bumuo ng mga pangunahing mekanismo upang makontrol ang maliliit na makina ng kemikal at malambot na mga robot.”

Sa hinaharap, tuklasin ni Balazs kung paano maaaring humantong sa higit na pag-andar at potensyal na disenyo ng isang system ang kamag-anak na organisasyong spatial ng maraming paglilipat.

“Ang karagdagang machine ay mula sa kontrol ng tao, mas kailangan mo ang makina mismo upang magbigay ng kontrol upang makumpleto ang gawain,” sabi ni Balazs. “Ang chemo-mechanical na likas na katangian ng aming mga aparato ay pinapayagan itong mangyari nang walang anumang panlabas na mapagkukunan ng enerhiya.”

Ang mga pansariling gears na ito ay ang pinakabagong ebolusyon ng mga proseso ng chemo-mechanical na binuo ni Balazs, Laskar, at Shklyaev. Ang iba pang mga pagsulong ay kasama ang paglikha ng mga dahon ng alimango na gumagaya sa mga pagtugon sa pagpapakain, paglipad, at pagpapamuok; at “lumilipad na karpet” na tulad ng mga paglalayag na pumulupot, pumitik, at gumagapang.

Sanggunian: Self-Morphing, Mga Chemical Driven Gears at Machine, ni Abhrajit Laskar, Oleg E. Shklyaev at Anna C. Balazs, 18 Disyembre 2020, Misa.
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

Pagkuha ng Impormasyon sa Kasaysayan ng Neanderthal na Populasyon Gamit ang Sinaunang Nuclear DNA Mula sa Mga Ciment Sediment

Gallery sa lugar ng yungib ng mga estatwa sa hilagang Espanya. Kredito: Javier Trueba - Madrid Scientific Films Ang Mitochondrial DNA ng mga archaic...

Kung Paano Maaaring Lumaki ang Iba Pang Mga Karamdaman na Fungi Sa Maliit na Puwang

Ang isang pangkat na pinangunahan ng Tsukuba University ay natagpuan ang isang makabuluhang pagkakaiba na nagpapaliwanag kung bakit ang ilang mga species ng fungi...

Para sa Mga Tatanggap ng Transplant, Isang Pangatlong Dosis ng Bakuna sa COVID Maaaring Mag-alok ng Mas mahusay na Proteksyon

Ipinakita ng mga mananaliksik sa Johns Hopkins Medicine na tatlong dosis ng bakuna laban sa SARS-CoV-2-ang virus na sanhi ng pagtaas ng antas ng...

Ang mga sigla ng usok na nasa daang siglo na napanatili sa niyebe ay nagbubunyag ng isang maalab na nakaraan – at ang hinaharap...

Inisyu ni Harvard John a. Paulson School of Engineering at Applied Science Hunyo 18, 2021 Ang usok mula sa mga wildfires na gawa ng tao...

Inihanda ng NASA ang “Moonikin” na kumander para sa Artemis 1 lunar na misyon

Sa larawang ito, sinusubukan ng mga inhinyero ang isang pagsubok na panginginig ng boses sa upuan ng Orion at ang Chemini Space Center -...

Newsletter

Subscribe to stay updated.