通过化学级联反应控制化学齿轮。
齿轮是人类历史上最古老的机械工具之一，不论是在早期灌溉系统、钟表中，还是在现代发动机和机器人中，都不难找到齿轮的踪影。
phys.org网站当地时间12月18日报道，美国匹兹堡大学的研究人员首次利用催化反应，使涂覆有化学涂层的二维薄板自发地“变形”为三维齿轮，从而完成了持续性工作。
该成果有可能促成化学驱动机器的开发——它们不依靠外部动力，只需通过添加反应物运转。相关研究成果同日刊发在《Matter》杂志中。
“齿轮赋予机器机械生命。然而，它们还需要外部动力推动——例如蒸汽或电力，才能执行任务。这限制了未来机器在资源贫乏地区或偏远地区的应用潜能。”论文作者Anna C. Balazs教授解释，“Abhrajit Laskar提出的计算模型表明，化学-机械转换可能是一种复制齿轮功能的新驱动方式，它将帮助我们摆脱传统电源。”
在模拟实验中，研究人员将催化剂放置在类轮辐二维柔性薄片的不同位置，然后将其放入充满液体的微型反应室中。接着，研究人员将反应物加入反应室内，激活催化剂，从而使流体自发流动。内向流体驱动薄片的轻质部分弹出，形成主动转子，捕捉流动并推动旋转。
论文作者Laskar说：“这项研究的亮点在于‘变形’和‘推动’的耦合作用，即通过改变物体形状来产生运动。在自然界中，我们能看到很多生物利用化学能改变自身形状和运动方式的例子。想要让化学薄片移动，它也必须自发地产生形变。”
研究人员还发现，并非所有齿轮部件都需要具备化学活性才能产生运动，事实上，不对称性对于产生运动也十分重要。通过调整催化剂放置规则，Laskar等能够控制齿轮旋转方向。这一附加“程式”使独立转子能够以顺序或级联方式运转。而通过调整轮辐的内部结构和流体域位置，研究人员可以让化学齿轮完成更复杂的动作。
Shklyaev说：“齿轮是机器的核心部件。我们设计的化学齿轮就像毫米级的内燃机，虽然它不能为汽车提供动力，但却为设计小型化学机器和软机器人的基本驱动机制提供了借鉴。”
在下一阶段，Balazs教授等进一步改善化学齿轮，例如研究多齿轮的空间组织与功能强化的关系。
Balazs说：“机器距离人类控制越远，对机器的自主化要求就越高。我们设计的化学机械，正是为此服务的。”
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《Matter》
期刊编号：2590-2385
原文链接：
https://phys.org/news/2020-12-chemically-driven-wheels-morph-gears.html
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