齿轮是最古老的机械工具之一,导致了从早期灌溉系统和时钟到现代发动机和机器人的机器。Anna C. Balazs -化学和石油工程的杰出教授和John a . Swanson工程主席-和她的研究人员利用了一种催化反应,使一个二维的,化学涂层板自发“变形”成一个三维齿轮,执行持续的工作。

这些发现表明了开发化学驱动机器的潜力,这种机器不依赖外部电源,而只需要向周围的溶液中添加反应物。计算模型已经表明,在活动薄板上的化学-机械转换(将化学能转换为运动)提出了一种新的方法,可以在没有传统电源的环境中复制齿轮的行为。

转动运动从一个主动齿轮传递到两个被动齿轮。在射流室中,一个主动齿轮可以使多个被动齿轮旋转,这些被动齿轮的放置是为了打破流场的对称性。

在模拟中,催化剂被放置在一个二维薄片上的不同位置,该薄片类似于一个带辐条的轮子,薄片周长上有较重的节点。这种长度约为1毫米的柔性薄片被放置在一个充满液体的微室中。反应物被添加到室中,激活扁平“轮”上的催化剂,从而导致流体自发流动。向内流动的流体驱动薄钢板较轻的部分弹出,形成一个主动转子,捕捉流动并旋转。

在自然界中,生物利用化学能来改变它们的形状和运动。为了让新的化学薄片移动,它还必须自发地变形成新的形状,这样它才能捕捉流体流动并发挥其功能。

研究小组发现,并非所有齿轮部件都需要化学活性才能产生运动;事实上,不对称对于创造运动是至关重要的。通过确定放置的设计规则,研究人员可以引导旋转方向为顺时针或逆时针。这一增加的“程序”使独立转子的控制顺序或串联效应,主动和被动齿轮系统。这个更复杂的动作是由辐条的内部结构和在流体域中的位置控制的。

在未来,研究人员将研究多个齿轮的相对空间组织如何带来更大的功能,潜在地设计一个系统,看起来就像它在做决策。

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运动设计杂志

本文首次发表于2021年6月号运动设计杂志。

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