Den "magiska mattan" som finns med i berättelser från "Tusen och en natt" till Disneys "Aladdin" fångar fantasin inte bara för att den kan flyga, men eftersom det också kan vinka, flaxa, och ändra dess form för att tjäna dess ryttare. Med den inspirationen, och hjälp av katalytiska kemiska reaktioner i lösningar, ett team från University of Pittsburghs Swanson School of Engineering har designat en tvådimensionell, formförändrande ark som rör sig autonomt i en reaktantfylld vätska.

Artikeln, "Designa självgående, kemiskt aktiva ark:omslag, klaffar och rankor, " publicerades nyligen i AAAS-tidskriften Vetenskapens framsteg . Huvudutredare är Anna C. Balazs, John A. Swanson ordförande och framstående professor i kemi- och petroleumteknik vid Swanson School. Huvudförfattare är Abhrajit Laskar, och medförfattare är Oleg E. Shklyaev, båda postdoktorala.

"Det har länge varit en utmaning inom kemin att skapa ett icke-levande föremål som rör sig på egen hand i en miljö, vilket i sin tur förändrar föremålets form, så att den kan utföra helt nya uppgifter, som att fånga andra föremål, "Dr. Balazs förklarade. "Forskare har tidigare gjort kemiskt aktiva fläckar på en yta som kan generera vätskeflöde, men flödet påverkade inte platsen eller formen på plåstret. Och i vårt eget labb har vi modellerat sfäriska och rektangulära partiklar som kan röra sig autonomt i en vätskefylld mikrokammare. Men nu har vi detta integrerade system som använder en kemisk reaktion för att aktivera vätskerörelsen som samtidigt transporterar ett flexibelt föremål och "skulpterar" dess form, och allt sker självständigt."

Gruppen åstadkom denna bedrift av självframdrivning och omkonfigurering genom att introducera en beläggning av katalysatorer på det flexibla arket, vilket är ungefär samma bredd som ett människohår. Tillsatsen av reaktanter till den omgivande vätskan initierar både mattans rörelse och förändringar av dess form. "Såvitt vi vet, detta är första gången dessa katalytiska kemiska reaktioner har applicerats på 2D-ark för att generera flöden som omvandlar dessa ark till mobila, 3D-objekt, " sa Dr Balazs.

Ytterligare, genom att placera olika katalysatorer på specifika områden av arket och kontrollera mängden och typen av reaktanter i vätskan, gruppen skapade en användbar kaskad av katalytiska reaktioner där en katalysator bryter ner en associerad kemikalie, som sedan blir en reaktant för nästa av uppsättningen av katalytiska reaktioner. Att lägga till olika reaktanter och utforma lämpliga konfigurationer av arket möjliggör en mängd olika åtgärder - i denna studie, svepa in ett föremål, gör en flaxande rörelse, och välter över hinder på en yta.

"En mikrofluidisk enhet som innehåller dessa aktiva ark kan nu utföra viktiga funktioner, som att skjutsa last, ta tag i en mjuk, känsligt föremål, eller till och med krypa fram för att rengöra en yta, Dr. Shklyaev sa. "Dessa flexibla mikromaskiner omvandlar helt enkelt kemisk energi till spontan omkonfiguration och rörelse, som gör det möjligt för dem att utföra en repertoar av användbara jobb."

Dr Laskar tillade att om arket skärs till formen av en blomma med fyra kronblad och placeras på ytan av en mikrofluidisk enhet, kronbladens kemi kan "programmeras" för att öppna och stänga individuellt, skapa grindar som utför logiska operationer, samt generera speciella vätskeflöden för att transportera partiklar genom hela anordningen.

"Till exempel, som en fångarvante kan du använda blommans kronblad för att fånga en mikroskopisk boll och hålla den under en begränsad tid, initiera sedan en ny kemisk reaktion på en annan uppsättning kronblad så att bollen rör sig mellan dem i ett kemiskt styrt fångstspel, Dr. Laskar förklarade. "Denna nivå av rumslig och tidsmässig kontroll möjliggör stegvisa reaktioner och analyser som du annars inte skulle kunna utföra med icke-deformerbara material."

Gruppen experimenterade också med placeringen av katalysatorn på olika delar av arket för att skapa specifika rörelser. I ett experiment, placera katalysatorn på bara arkets kropp, snarare än huvudet och svansen, utlöste en krypande rörelse kusligt lik rörelsen hos en tummask. I en annan insikt, när hinder placerades framför det belagda arket, den skulle ramla över hindret och fortsätta röra sig, så att den kan korsa en ojämn terräng.

"Denna forskning ger oss ytterligare insikt i hur kemi kan driva autonoma, spontan aktivering och rörelse i mikrofluidiska enheter, "Dr. Balazs sa. "Vår nästa uppgift är att utforska mikrotillverkning genom att använda interaktionen och självorganiseringen av flera ark för att sammanföra dem till specifika arkitekturer utformade för att utföra komplexa, samordnade funktioner. Också, genom att experimentera med olika stimuli som värme och ljus, vi kan designa mobil, 3-D mikromaskiner som anpassar sin form och funktion till förändringar i miljön. Denna nivå av lyhörd beteende är avgörande för att skapa nästa generation av mjuka robotenheter."