Ingenieure bauen chemisch angetriebene Räder, die sich in Getriebe “verwandeln”, um mechanische Arbeit zu verrichten

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Gangwechsel hin zu chemischen Maschinen
Das Zahnrad ist eines der ältesten mechanischen Werkzeuge der Menschheitsgeschichte1 und führte zu Maschinen, die von frühen Bewässerungssystemen und Uhren bis hin zu modernen Motoren und Robotern reichen.

Forscher der University of Pittsburgh Swanson School of Engineering haben zum ersten Mal eine katalytische Reaktion eingesetzt, die bewirkt, dass sich ein zweidimensionales, chemisch beschichtetes Blatt spontan in ein dreidimensionales Zahnrad “verwandelt”, das dauerhaft Arbeit verrichtet.
Die Ergebnisse weisen auf das Potenzial hin, chemisch angetriebene Maschinen zu entwickeln, die nicht auf externe Energie angewiesen sind, sondern lediglich die Zugabe von Reaktanten zur umgebenden Lösung erfordern. Die am 18. Dezember 2020 in der Zeitschrift Matter von Cell Press veröffentlichte Forschungsarbeit wurde von Anna C.

Balazs, Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering und der John A. Swanson Chair of Engineering. Hauptautor ist Abhrajit Laskar und Co-Autor ist Oleg E. Shklyaev, beide sind Post-Docs.

“Zahnräder helfen, Maschinen mechanisch zu betreiben; sie benötigen jedoch eine Art von externer Energie, wie Dampf oder Elektrizität, um eine Aufgabe zu erfüllen.

Dies schränkt das Potenzial zukünftiger Maschinen ein, die in ressourcenarmen oder abgelegenen Umgebungen arbeiten”, erklärt Balazs. “Abhrajits Computermodellierung hat gezeigt, dass die chemo-mechanische Transduktion (Umwandlung von chemischer Energie in Bewegung) an aktiven Platten eine neuartige Möglichkeit darstellt, das Verhalten von Getrieben in Umgebungen ohne Zugang zu traditionellen Energiequellen zu replizieren.”
In den Simulationen werden Katalysatoren an verschiedenen Punkten auf einer zweidimensionalen Platte platziert, die einem Rad mit Speichen ähnelt, mit schwereren Knotenpunkten am Umfang der Platte.

Das flexible Blatt, das etwa einen Millimeter lang ist, wird dann in eine mit Flüssigkeit gefüllte Mikrokammer gelegt.

Ein Reaktant wird in die Kammer gegeben, der die Katalysatoren auf dem flachen “Rad” aktiviert und dadurch die Flüssigkeit spontan zum Fließen bringt.

Die nach innen gerichtete Flüssigkeitsströmung treibt die leichteren Abschnitte des Blattes nach oben und bildet einen aktiven Rotor, der die Strömung auffängt und sich dreht.

“Das Besondere an dieser Forschung ist die Kopplung von Verformung und Antrieb, um die Form des Objekts zu verändern und Bewegung zu erzeugen”, sagt Laskar. “Die Verformung des Objekts ist der Schlüssel; wir sehen in der Natur, dass Organismen chemische Energie nutzen, um ihre Form zu verändern und sich zu bewegen.

Damit sich unser chemisches Blatt bewegen kann, muss es sich auch spontan in eine neue Form verwandeln, die es ihm ermöglicht, den Flüssigkeitsstrom aufzufangen und seine Funktion zu erfüllen.”
Darüber hinaus fanden Laskar und Shklyaev heraus, dass nicht alle Getriebeteile chemisch aktiv sein müssen, damit Bewegung entsteht; tatsächlich ist Asymmetrie entscheidend, um Bewegung zu erzeugen.

Indem sie die Designregeln für die Platzierung festlegten, konnten Laskar und Shklyaev die Rotation im oder gegen den Uhrzeigersinn steuern.

Dieses zusätzliche “Programm” ermöglichte die Steuerung unabhängiger Rotoren, die sich sequentiell oder in einem Kaskadeneffekt bewegen, mit aktiven und passiven Getriebesystemen.

Diese komplexere Aktion wird durch die interne Struktur der Speichen und die Platzierung innerhalb des Fluidbereichs gesteuert.

“Da ein Getriebe eine zentrale Komponente jeder Maschine ist, muss man mit den Grundlagen beginnen, und was Abhrajit geschaffen hat, ist wie ein Verbrennungsmotor im Millimeter-Maßstab”, sagt Shklyaev. “Das wird zwar nicht Ihr Auto antreiben, aber es bietet das Potenzial, die grundlegenden Mechanismen für den Antrieb von kleinen chemischen Maschinen und weichen Robotern zu bauen.”
In Zukunft wird Balazs untersuchen, wie die relative räumliche Organisation mehrerer Zahnräder zu einer größeren Funktionalität führen kann und möglicherweise ein System entwerfen, das so zu handeln scheint, als würde es Entscheidungen treffen.
“Je weiter eine Maschine von der menschlichen Kontrolle entfernt ist, desto mehr braucht man die Maschine selbst, um die Kontrolle zu übernehmen, um eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen”, sagte Balazs. “Die chemo-mechanische Natur unserer Geräte erlaubt es, dass dies ohne eine externe Energiequelle geschieht.”
Diese selbstmorphen Zahnräder sind die jüngste Weiterentwicklung der von Balazs, Laskar und Shklyaev entwickelten chemo-mechanischen Prozesse. Zu den weiteren Fortschritten gehören die Entwicklung von krabbenähnlichen Blättern, die Futter-, Flucht- und Kampfreaktionen nachahmen, sowie Blätter, die einem “fliegenden Teppich” ähneln und sich wickeln, flattern und kriechen.
Referenz: “Self-Morphing, Chemically Driven Gears and Machines” von Abhrajit Laskar, Oleg E. Shklyaev und Anna C.

Balazs, 18. Dezember 2020, Matter.
DOI: 10.1016/j.matt.2020.11.04

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