Animation de simulation démontrant le contrôle spatio-temporel des rotors via une réaction en cascade. Le rotor revêtu de GOx (magenta) se trouve sur le côté gauche de la chambre, tandis que le rotor à revêtement CAT (vert) se trouve sur le côté droit. La carte de couleur d'arrière-plan indique la distribution spatiale de H
L'engrenage est l'un des plus anciens outils mécaniques de l'histoire de l'humanité et a conduit à des machines allant des premiers systèmes d'irrigation et des horloges, aux moteurs et à la robotique modernes. Pour la première fois, des chercheurs de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh ont utilisé une réaction catalytique qui provoque une réaction bidimensionnelle, feuille revêtue chimiquement pour se "transformer" spontanément en un engrenage tridimensionnel qui effectue un travail soutenu.
Les résultats indiquent le potentiel de développer des machines à entraînement chimique qui ne reposent pas sur une alimentation externe, mais nécessitent simplement l'ajout de réactifs à la solution environnante. Publié aujourd'hui dans la revue Cell Press Question , la recherche a été développée par Anna C. Balazs, Professeur émérite de génie chimique et pétrolier et titulaire de la chaire d'ingénierie John A. Swanson. L'auteur principal est Abhrajit Laskar et le co-auteur est Oleg E. Shklyaev, tous deux post-doctorants.
« Les engrenages aident à donner une vie mécanique aux machines ; cependant, ils nécessitent une sorte d'alimentation externe, comme la vapeur ou l'électricité, pour effectuer une tâche. Cela limite le potentiel des futures machines fonctionnant dans des environnements pauvres en ressources ou distants, " Balazs explique. " La modélisation informatique d'Abhrajit a montré que la transduction chimio-mécanique (conversion de l'énergie chimique en mouvement) au niveau des feuilles actives présente une nouvelle façon de reproduire le comportement des engrenages dans des environnements sans accès aux sources d'énergie traditionnelles. "
Animation de simulation démontrant la dynamique d'une feuille flexible revêtue de CAT en H
Dans les simulations, des catalyseurs sont placés en différents points sur une feuille bidimensionnelle ressemblant à une roue à rayons, avec des nœuds plus lourds sur la circonférence de la feuille. La feuille souple, environ un millimètre de longueur, est ensuite placé dans une microchambre remplie de fluide. Un réactif est ajouté à la chambre qui active les catalyseurs sur la "roue" plate, provoquant ainsi l'écoulement spontané du fluide. Le flux de fluide vers l'intérieur pousse les sections les plus légères de la feuille à apparaître, formant un rotor actif qui capte le flux et tourne.
"Ce qui fait la particularité de cette recherche, c'est le couplage de la déformation et de la propulsion pour modifier la forme de l'objet pour créer du mouvement, " Laskar dit. " La déformation de l'objet est la clé; nous voyons dans la nature que les organismes utilisent l'énergie chimique pour changer de forme et se déplacer. Pour que notre feuille chimique se déplace, il doit également se transformer spontanément en une nouvelle forme, ce qui lui permet de capter le flux de fluide et de remplir sa fonction."
En outre, Laskar et Shklyaev ont découvert que toutes les pièces de l'engrenage n'avaient pas besoin d'être chimiquement actives pour que le mouvement se produise; En réalité, l'asymétrie est cruciale pour créer le mouvement. En déterminant les règles de conception pour le placement, Laskar et Shklyaev pourraient diriger la rotation dans le sens horaire ou antihoraire. Ce "programme" ajouté a permis au contrôle de rotors indépendants de se déplacer de manière séquentielle ou en effet de cascade, avec des systèmes d'engrenages actifs et passifs. Cette action plus complexe est contrôlée par la structure interne des rayons, et le placement dans le domaine fluide.
Transmission du mouvement de rotation d'un engrenage actif à deux engrenages passifs. Dans une chambre fluidique, un engrenage actif peut faire tourner plusieurs engrenages passifs, qui sont placés pour briser la symétrie du champ d'écoulement. Crédit :A. Laskar
"Parce qu'un engrenage est un élément central de toute machine, vous devez commencer par les bases, et ce qu'Abhrajit a créé est comme un moteur à combustion interne à l'échelle millimétrique, " dit Shklyaev. " Bien que cela n'alimente pas votre voiture, il présente le potentiel de construire les mécanismes de base pour piloter des machines chimiques à petite échelle et des robots mous. »
À l'avenir, Balazs étudiera comment l'organisation spatiale relative de plusieurs engrenages peut conduire à une plus grande fonctionnalité et potentiellement à la conception d'un système qui semble agir comme s'il prenait des décisions.
"Plus une machine est éloignée du contrôle humain, plus vous avez besoin de la machine elle-même pour assurer le contrôle afin d'accomplir une tâche donnée, " Balazs a déclaré. "La nature chimio-mécanique de nos appareils permet que cela se produise sans aucune source d'alimentation externe."
Ces engrenages auto-morphes sont la dernière évolution des procédés chimio-mécaniques développés par Balazs, Laskar, et Shkliaev. D'autres avancées incluent la création de feuilles ressemblant à des crabes qui imitent l'alimentation, voyage en avion, et combattre les réponses ; et des draps ressemblant à un "tapis volant" qui s'enroulent, rabat, et ramper.
