Moderna mekatroniska enheter, från industrimaskiner till robotar, har sett en drastisk ökning av komplexitet och krånglighet. Med sofistikerade funktioner som låses upp för varje dag som går, det har skett en oundviklig ökning av antalet komponenter som enheterna behöver. Och även om dessa framsteg är onekligen imponerande, den stora volymen och det stora antalet komponenter är ett stort hinder för dessa enheters "miniatyrisering" och kostnadseffektivitet.

Men tänk om, istället för att använda flera skrymmande komponenter, hittar vi ett smartare sätt att bygga dem? Detta är vad forskare, inklusive Prof Shingo Maeda, Dr. Zebing Mao (Smart Materials Laboratory, Shibaura Institute of Technology) och Dr Vito Caccuciolo (Soft Transducers Laboratory, Institute of Microengineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), har arbetat på, i en nyligen publicerad studie Vetenskapliga rapporter . Forskarna undersökte möjligheten för olika komponenter i en elektromekanisk enhet - som strömförsörjning, ställdon, och kontrollsystem - reduceras till ett enda stycke hydrogel. Genom att göra detta, de lyckades skapa en självmanövrerad mikrofluidpump som endast drivs av en oscillerande kemisk reaktion, som framgångsrikt producerade "tryckolja" (som representerar mekaniskt arbete). Prof Maeda, som ledde studien, säger, "Vi föreslår en ny metod för att realisera en enkel pumpfunktion med hjälp av en enkomponents självoscillerande hydrogel och ett membran."

I deras studie, forskarna fokuserade på en unik typ av oscillerande kemisk reaktion som tillhör Belousov-Zhabotinsky (BZ) klass av reaktioner. Konventionellt, en kemisk reaktion involverar en reaktant som ger upphov till en produkt för att nå ett jämviktstillstånd. Men, BZ reaktioner, som innehåller brom och ett oxidationsmedel, producera ett system som aldrig når kemisk jämvikt; istället, det går fram och tillbaka mellan olika stater. Tidigare, forskare hade observerat att hydrogeler och andra polymerer som innehåller en BZ-reaktion (kallade BZ-geler) var kapabla till autonom rörelse eftersom reaktionen orsakade små och periodiska strukturella förändringar, visar således mycket potential i mekatroniska applikationer. Men, deras praktiska användning har varit utmanande fram till nu. Prof Maeda förklarar, "Tidigare rapporterade BZ -geler visade mycket liten förskjutning och testades bara när de var nedsänkta i kemiska bad, vilket tydligt begränsar deras potentiella tillämpningar."

I denna nya studie, forskarna övervann detta hinder genom att använda ett nytt tillvägagångssätt, vilket är mycket mer lovande tack vare en innovativ implementering. Prof Maeda förklarar deras metodik, "Först, vi producerar BZ-geler och försträcker dem, vilket ökar det mekaniska arbetet som kan extraheras vid varje BZ-cykel. Sedan, hela gelén och dess omgivande kemiska lösning är helt inkapslad. Till sist, det mekaniska arbetet som produceras av gelens svällning och sammandragning överförs till en extern olja genom deformationen av ett töjbart membran." Resultatet av detta är en självaktiverande pump enbart driven av den oscillerande reaktionen som kan flytta vätskor fram och tillbaka som ett konstgjort "hjärta" för maskiner och producera mekaniskt arbete i form av trycksatt olja. Forskarna testade metoden både virtuellt och experimentellt, visar att det föreslagna konceptet har potential.

Denna studie belyser de grundläggande fysiska mekanismerna för BZ -geler och indikerar ett sätt att förbättra deras mekaniska prestanda. Det är ett viktigt steg mot att överbrygga det tekniska gapet som finns för att omvandla oscillerande kemisk energi till mekanisk energi för att driva användbara enheter. Några anmärkningsvärda exempel på genomförbara långsiktiga tillämpningar av pumpar tillverkade med BZ-geler är inom området mikrofluidik, inklusive läkemedelsleveranssystem, DNA-mikroarrayer för biomedicinsk forskning, och många andra biotekniska och nanoteknologiska verktyg. Den självaktiverande pumpen som föreslagits av forskarna skulle kunna fungera som en enkomponents strömkälla i mikrofluidsystem, och därigenom förenkla deras design, minska sina kostnader, och bredda deras tillämplighet.

Forskargruppen är optimistisk om att ta sitt arbete till nästa nivå i framtiden, vilket kommer att innebära optimering av deras design genom kemiska och mekaniska metoder. Detta kommer att vara nyckeln för att få fram ett paradigmskifte i designen av elektromekaniska enheter genom att ta en mer bioinspirerad vändning. I detta avseende Prof Maeda avslutar, "Självaktiverande pumpar lovar att bryta den komplexa väggen som vissa robotsystem står inför med ett ökande antal funktioner, möjliggör utveckling av riktigt smarta multifunktionella maskiner. "