«Волшебный ковер», показанный в сказках от «Тысячи и одной ночи» до «Аладдина» Диснея, захватывает воображение не только потому, что он может летать, но и потому, что он также может махать, взмахивать и изменять свою форму, чтобы служить своим наездникам. С этим вдохновением и помощью каталитических химических реакций в растворах команда из Свансонской школы инженерии Университета Питтсбурга разработала двухмерный изменяющий форму лист, который автономно перемещается в жидкости, заполненной реагентом.
Статья «Создание самоходных химически активных листов: обертки, хлопушки и ползучие растения» была недавно опубликована в журнале AAAS Science Advances . Основным исследователем является Анна С. Балаз, председатель правления Джона А. Свансона и заслуженный профессор химического и нефтяного машиностроения в школе Свансон. Ведущий автор — Абхражит Ласкар, соавтор — Олег Е. Шкляев, оба постдокторанты.
«В химии долгое время было сложно создать неживой объект, который перемещается сам по себе в окружающей среде, что, в свою очередь, меняет форму объекта, позволяя ему выполнять совершенно новые задачи, такие как захват других объектов», — говорит доктор Балаз. объяснил. «Исследователи ранее делали химически активные пятна на поверхности, которые могли бы генерировать поток жидкости, но поток не влиял на местоположение или форму пятна. И в нашей собственной лаборатории мы смоделировали сферические и прямоугольные частицы, которые могут перемещаться автономно в пределах заполненная жидкостью микрокамера. Но теперь у нас есть эта интегрированная система, которая использует химическую реакцию, чтобы активировать движение жидкости, которая одновременно транспортирует гибкий объект и «лепит» его форму, и все это происходит автономно ».
Группа совершила этот подвиг самодвижения и реконфигурации, нанеся покрытие катализаторов на гибкий лист, который приблизительно равен ширине человеческого волоса. Добавление реагентов в окружающую жидкость инициирует как движение ковра, так и изменение его формы. «Насколько нам известно, это первый раз, когда эти каталитические химические реакции были применены к 2D-листам для генерации потоков, которые превращают эти листы в мобильные 3D-объекты», — сказал доктор Балаз.
Кроме того, размещая различные катализаторы на определенных участках листа и контролируя количество и тип реагентов в жидкости, группа создала полезный каскад каталитических реакций, где один катализатор расщепляет связанный химикат, который затем становится реагентом для следующего из множества каталитических реакций. Добавление различных реагентов и разработка соответствующих конфигураций листа позволяет выполнять различные действия: в этом исследовании оборачивать объект, совершать колебательные движения и опрокидывать препятствия на поверхности.
«Микрожидкостное устройство, которое содержит эти активные листы, теперь может выполнять жизненно важные функции, такие как перемещение груза, захват мягкого, деликатного предмета или даже ползание вдоль, чтобы очистить поверхность», — сказал доктор Шкляев. «Эти гибкие микро-машины просто преобразуют химическую энергию в самопроизвольную реконфигурацию и движение, что позволяет им выполнять целый ряд полезных работ».
Д-р Ласкар добавил, что если лист разрезать в форме цветка с четырьмя лепестками и поместить на поверхность микрофлюидного устройства, химию лепестков можно «запрограммировать» на индивидуальное открытие и закрытие, создавая ворота, которые выполняют логику операции, а также генерировать определенные потоки жидкости для транспортировки частиц по всему устройству.
«Например, как рукавица ловца, вы можете использовать лепестки цветка, чтобы поймать микроскопический шарик и удерживать его в течение конечного времени, а затем инициировать новую химическую реакцию с другим набором лепестков, чтобы шарик перемещался между ними в химически направленная игра в уловы, — объяснил доктор Ласкар. «Этот уровень пространственного и временного контроля позволяет проводить поэтапные реакции и анализы, которые вы не могли бы выполнить с недеформируемыми материалами».
Группа также экспериментировала с размещением катализатора на разных частях листа, чтобы создать определенные движения. В одном эксперименте размещение катализатора только на теле листа, а не на голове и хвосте, вызвало ползучее движение, пугающе похожее на движение дюймового червя. В другом варианте реализации, когда препятствия были помещены перед покрытым листом, он падал на препятствие и продолжал двигаться, позволяя ему пересечь неровную местность.
«Это исследование дает нам дальнейшее понимание того, как химия может управлять автономным, самопроизвольным срабатыванием и передвижением в микрофлюидных устройствах», — сказал доктор Балас. «Наша следующая задача — исследовать микропроизводство, используя взаимодействие и самоорганизацию нескольких листов, чтобы объединить их в конкретные архитектуры, предназначенные для выполнения сложных, скоординированных функций. Также, экспериментируя с различными стимулами, такими как тепло и свет, мы можем спроектировать мобильные трехмерные микро-машины, которые приспосабливают свою форму и действие к изменениям в окружающей среде. Этот уровень чувствительного поведения жизненно важен для создания следующего поколения мягких роботизированных устройств «.
