化学駆動ホイールがギアに「変形」

ピッツバーグ大学、ペンシルベニア州

歯車は最も古い機械工具の 1 つであり、初期の灌漑システムや時計から現代のエンジンやロボット工学に至るまでの機械につながりました。 研究者らは、二次元の化学的にコーティングされたシートを、持続的な作業を実行する三次元の歯車に自発的に「変形」させる触媒反応を利用しました。

この発見は、外部電力に依存せず、周囲の溶液に反応物を追加するだけで済む化学駆動機械を開発できる可能性を示しています。 コンピュータモデリングにより、アクティブシートでの化学機械変換（化学エネルギーの運動への変換）が、従来の動力源を利用できない環境で歯車の挙動を再現する新しい方法となることが示されました。

シミュレーションでは、触媒はスポーク付きの車輪に似た 2 次元シート上のさまざまな点に配置され、シートの円周上に重いノードが配置されます。 次に、長さ約 1 ミリメートルの柔軟なシートを、液体で満たされたマイクロチャンバー内に置きます。 反応物がチャンバーに追加され、平らな「ホイール」上の触媒が活性化され、それによって流体が自発的に流れます。 内向きの流体の流れにより、シートの軽い部分がポップアップし、流れをキャッチして回転するアクティブ ローターを形成します。

自然界では、生物は化学エネルギーを利用して形を変え、動きます。 新しい化学シートが動くためには、液体の流れを捉えてその機能を発揮できるように、自発的に新しい形状に変形する必要もあります。

研究チームは、動きを起こすためにすべての歯車部品が化学的に活性である必要はないことを発見しました。 実際、動きを生み出すには非対称性が重要です。 配置の設計ルールを決定することで、研究者らは回転を時計回りまたは反時計回りに指示することができました。 この追加された「プログラム」により、アクティブおよびパッシブ ギア システムを使用して、独立したローターを順次またはカスケード効果で動作させる制御が可能になりました。 このより複雑な動作は、スポークの内部構造と流体領域内の配置によって制御されます。

研究者らは将来的に、複数の歯車の相対的な空間構成がどのように機能の向上につながるかを調査し、あたかも意思決定を行っているかのように見えるシステムを設計できる可能性がある。

詳細については、Paul Kovach までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。 閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。

この記事は、Tech Briefs Magazine の 2023 年 6 月号に初めて掲載されました。

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