Les roues à entraînement chimique se transforment en engrenages

Université de Pittsburgh, Pennsylvanie

L'engrenage est l'un des outils mécaniques les plus anciens et a conduit à des machines allant des premiers systèmes d'irrigation et horloges aux moteurs modernes et à la robotique. Les chercheurs ont utilisé une réaction catalytique qui fait qu'une feuille bidimensionnelle revêtue chimiquement se « transforme » spontanément en un engrenage tridimensionnel qui effectue un travail soutenu.

Les résultats indiquent la possibilité de développer des machines à entraînement chimique qui ne dépendent pas d'une alimentation externe mais nécessitent simplement l'ajout de réactifs à la solution environnante. La modélisation informatique a montré que la transduction chimio-mécanique (conversion de l'énergie chimique en mouvement) au niveau des feuilles actives présente une nouvelle façon de reproduire le comportement des engrenages dans des environnements sans accès aux sources d'alimentation traditionnelles.

Dans les simulations, des catalyseurs sont placés à divers endroits sur une feuille bidimensionnelle ressemblant à une roue à rayons, avec des nœuds plus lourds sur la circonférence de la feuille. La feuille souple, d'environ un millimètre de long, est ensuite placée dans une microchambre remplie de fluide. Un réactif est ajouté à la chambre qui active les catalyseurs sur la "roue" plate, provoquant ainsi l'écoulement spontané du fluide. Le flux de fluide vers l'intérieur fait apparaître les sections les plus légères de la feuille, formant un rotor actif qui capte le flux et tourne.

Dans la nature, les organismes utilisent l'énergie chimique pour changer de forme et se déplacer. Pour que la nouvelle feuille chimique se déplace, elle doit également se transformer spontanément en une nouvelle forme, ce qui lui permet de capter le flux de fluide et de remplir sa fonction.

L'équipe a découvert que toutes les pièces d'engrenage n'avaient pas besoin d'être chimiquement actives pour que le mouvement se produise; en fait, l'asymétrie est cruciale pour créer du mouvement. En déterminant les règles de conception pour le placement, les chercheurs pourraient orienter la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Ce "programme" ajouté permettait le contrôle de rotors indépendants pour se déplacer séquentiellement ou en cascade, avec des systèmes d'engrenages actifs et passifs. Cette action plus complexe est contrôlée par la structure interne des rayons et le placement dans le domaine fluide.

À l'avenir, les chercheurs étudieront comment l'organisation spatiale relative de plusieurs engins peut conduire à une plus grande fonctionnalité, en concevant potentiellement un système qui semble agir comme s'il prenait des décisions.

Pour plus d'informations, contactez Paul Kovach à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir..

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2023 de Tech Briefs Magazine.

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