向化学机械换档
齿轮是人类历史上最古老的机械工具之一，并导致了从早期灌溉系统和钟表到现代发动机和机器人等各种机器。匹兹堡大学斯旺森大学工程学院的研究人员首次利用催化反应，使二维化学涂层板自发地“变形”为可完成持续工作的三维齿轮。
研究结果表明，开发不依赖外部动力的化学驱动机器的潜力，而仅需要向周围溶液中添加反应物即可。该研究于2020年12月18日发表在Cell Press杂志的Matter上，该研究由化学与石油工程学著名教授Anna A. Balazs和工程学John A. Swanson主席进行。主要作者是Abhrajit Laskar，合著者是两位博士后研究员Oleg E. Shklyaev。
仿真的动画演示了通过级联反应对转子进行时空控制。GOx涂层的转子（品红色）位于腔室的左侧，而CAT涂层的转子（绿色）位于腔室的左侧。背景色图表示溶液中H2O2的空间分布，侧视图为y = 3mm，俯视图为z = 0.4 mm。在溶液中引入D-葡萄糖会激活GOx涂层的转子，该转子变形为3D结构并开始自发旋转。CAT涂层的转子保持平稳。H2O2由第一反应生成，构成了级联反应的第一步。在存在H2O2的情况下，涂有CAT的转子变得活跃并开始旋转，而涂有GOx的转子由于溶液中的葡萄糖耗尽而变得平坦且静止。随着时间的流逝，溶液中的H2O2也被耗尽，因此，涂覆有CAT的转子的运动停止并且片材变得平坦。
“齿轮有助于赋予机器机械寿命；但是，它们需要某种外部电源（例如蒸汽或电）来执行任务。这限制了未来机器在资源匮乏或远程环境中运行的潜力。” Balazs解释说。“ Abhrajit的计算模型表明，活性薄板上的化学机械转换（将化学能转化为运动）提供了一种在没有传统电源的情况下复制齿轮在环境中的行为的新颖方法。”
在模拟中，催化剂被放置在二维薄板的各个点上，类似于带有辐条的车轮，在薄板的圆周上有较重的节点。然后将大约一毫米长的柔性片材放入充满流体的微型腔室中。将反应物添加到腔室中，以激活扁平“轮”上的催化剂，从而使流体自发流动。向内的流体流驱动纸张的较轻部分弹出，形成一个主动转子，该转子捕获流体并旋转。
模拟中的动画演示了H2O2解决方案中CAT涂层柔性板的动力学。固定在薄片上的CAT将主体溶液中的H2O2分解为较轻的产品（水和氧气），从而产生自发的流体流。这些在流体域底部流动的流体驱动2D柔性板在中心弹出（比边缘节点轻），形成理想的3D结构（请参见侧视图），该结构捕获流体并沿顺时针方向旋转。
Laskar说：“这项研究的真正独特之处在于变形与推进的结合，以修改物体的形状以产生运动。”“物体的变形是关键；我们在自然界中看到有机体利用化学能来改变其形状和移动。为了使我们的化学薄板运动，它还必须自发地变形为新的形状，从而使其能够捕获流体并执行其功能。”
此外，Laskar和Shklyaev发现，并非所有齿轮部件都必须具有化学活性才能发生运动。实际上，不对称对于创造运动至关重要。通过确定布局的设计规则，Laskar和Shklyaev可以将旋转方向设为顺时针或逆时针。增添的“程序”使主动和被动齿轮系统能够控制独立转子按顺序或以级联效应运动。这种更复杂的动作由辐条的内部结构以及在流体域内的位置控制。
旋转运动从主动齿轮传递到两个被动齿轮。在流体室中，主动齿轮可使多个被动齿轮旋转，这些被动齿轮被放置来破坏流场的对称性。
“由于齿轮是任何机器的核心部件，因此您需要从基础开始，而Abhrajit所创造的就像是毫米级的内燃机，” Shklyaev说。“虽然这无法为您的汽车提供动力，但它确实具有建立驱动小型化学机械和软机器人的基本机制的潜力。”
将来，Balazs将研究多个齿轮的相对空间组织如何导致更大的功能，并潜在地设计一个看起来好像在做决策的系统。
Balazs说：“一台机器离人为控制的距离越远，您就越需要机器本身来提供控制以完成给定的任务。”“我们设备的化学机械特性使其无需任何外部电源即可实现。”
这些自动变形齿轮是Balazs，Laskar和Shklyaev开发的化学机械过程的最新发展。其他进展包括创建类似于螃蟹的床单，模仿进食，逃跑和战斗反应；和类似“飞毯”的床单可以包裹，拍打和爬行。
参考：Abhrajit Laskar，Oleg E. Shklyaev和Anna C. Balazs的“自变形，化学驱动的齿轮和机械”，2020年12月18日，物质。DOI：
10.1016 / j.matt.2020.11.014
