화학적으로 구동되는 바퀴가 기어로 "변형"됩니다.

펜실베니아주 피츠버그대학교

기어는 가장 오래된 기계 도구 중 하나이며 초기 관개 시스템 및 시계부터 현대 엔진 및 로봇 공학에 이르는 기계로 이어졌습니다. 연구자들은 화학적으로 코팅된 2차원 시트가 지속적인 작업을 수행하는 3차원 기어로 자발적으로 "변형"되도록 하는 촉매 반응을 활용했습니다.

이번 연구 결과는 외부 전력에 의존하지 않고 주변 용액에 반응물을 추가하기만 하면 되는 화학적으로 구동되는 기계를 개발할 가능성이 있음을 나타냅니다. 전산 모델링은 활성 시트에서의 화학-기계적 변환(화학 에너지를 운동으로 변환)이 기존 전원에 접근하지 않고도 환경에서 기어의 동작을 복제하는 새로운 방법을 제시한다는 것을 보여주었습니다.

시뮬레이션에서 촉매는 바퀴살이 있는 바퀴와 유사한 2차원 시트의 다양한 지점에 배치되며 시트 둘레에 더 무거운 노드가 있습니다. 그런 다음 길이가 약 1mm인 유연한 시트를 유체가 채워진 마이크로 챔버에 넣습니다. 평평한 "바퀴"의 촉매를 활성화하는 반응물이 챔버에 추가되어 유체가 자발적으로 흐르게 됩니다. 내부 유체 흐름은 시트의 더 가벼운 부분을 밀어 올려 흐름을 포착하고 회전하는 활성 로터를 형성합니다.

자연에서 유기체는 화학 에너지를 사용하여 모양을 바꾸고 움직입니다. 새로운 화학 시트가 움직이려면 유체 흐름을 포착하고 기능을 수행할 수 있도록 자발적으로 새로운 모양으로 변형되어야 합니다.

팀은 움직임이 발생하기 위해 모든 기어 부품이 화학적으로 활성화될 필요는 없다는 사실을 발견했습니다. 실제로 비대칭은 움직임을 만드는 데 매우 중요합니다. 연구원들은 배치에 대한 설계 규칙을 결정함으로써 회전 방향을 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 지정할 수 있습니다. 이 추가된 "프로그램"을 통해 능동 및 수동 기어 시스템을 사용하여 독립적인 로터의 제어가 순차적으로 또는 계단식 효과로 움직일 수 있게 되었습니다. 이 보다 복잡한 동작은 바퀴살의 내부 구조와 유체 영역 내 배치에 의해 제어됩니다.

앞으로 연구원들은 여러 기어의 상대적인 공간적 구성이 어떻게 더 큰 기능성으로 이어질 수 있는지 조사하고 잠재적으로 마치 결정을 내리는 것처럼 보이는 시스템을 설계할 것입니다.

자세한 내용은 Paul Kovach(이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다)에게 문의하세요. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다.

이 기사는 Tech Briefs Magazine 2023년 6월호에 처음 게재되었습니다.

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