자체조립, 맞물린 실: 기계가 필요 없는 방적사

자체조립, 맞물린 실: 기계가 필요 없는 방적사
엔지니어들은 2D 폴리머 시트가 자체 회전하는 3D '춤추는' 나선으로 자연스럽게 얽혀 있음을 발견했습니다.
날짜:
2022년 6월 23일
원천:
피츠버그 대학교
요약:
연구원들은 예기치 않게 자연에서 나선이 형성되는 능력이 화학 에너지를 기계적 작용으로 변환하는 일부 비생물학적 시스템에서도 발생한다는 것을 발견했습니다. 이 시스템은 2차원 폴리머 시트가 외부 힘을 가하지 않고도 나선 나선으로 상승하고 회전할 수 있게 해줍니다. 일관된 3차원 구조로의 자가 조립은 소프트 로봇 공학 및 화학 기계 시스템 분야에서 그룹의 최신 공헌을 나타냅니다.

나선은 가장 작은 DNA 분자에서 양치류와 해바라기, 지문에서 은하에 이르기까지 우주 전체에 만연해 있습니다. 과학에서 이 구조의 편재성은 간결함과 관련이 있습니다 . 즉, 사물은 가장 단순하거나 가장 경제적인 방식으로 조직됩니다.

피츠버그 대학과 프린스턴 대학의 연구원들은 예기치 않게 이 원리가 화학 에너지를 기계적 작용으로 변환하는 일부 비생물학적 시스템에도 적용된다는 사실을 발견했습니다. 이 원리는 외부 전력을 가하지 않고도 2차원 폴리머 시트가 나선형 나선으로 올라가고 회전할 수 있게 하는 것입니다. .

일관된 3차원 구조로의 자가 조립은 소프트 로봇 공학 및 화학 기계 시스템 분야에서 그룹의 최신 공헌을 나타냅니다.

이 연구는 이번 달 미국 국립과학원 회보 ( PNAS ) 넥서스에 게재됐다. 주 저자는 Oleg E. Shklyaev의 Raj Kumar Manna, 화학 및 석유 공학 석좌교수인 Anna Balazs와 박사후 과정 동료인 Pitt의 Swanson School of Engineering의 John A. Swanson 엔지니어링 학과장입니다. 기여 저자는 Howard A. Stone, Donald R. Dixon '69 및 Elizabeth W. Dixon 프린스턴 기계 및 항공 우주 공학 교수입니다.

"전산 모델링을 통해 우리는 유체가 채워진 챔버 내의 원형 촉매 패치 주위에 코팅되지 않은 수동 폴리머 시트를 배치했습니다. 우리는 촉매 반응을 시작하기 위해 과산화수소를 추가한 다음 유체 흐름을 생성했습니다. 한 시트만 회전하지 않는 동안 솔루션, 타워와 같은 구조로 자체 조립된 여러 시트,"라고 Manna가 설명했습니다. "그런 다음 타워가 불안정해짐에 따라 시트는 유체에서 회전하는 얽힌 구조를 자발적으로 형성했습니다."

Balazs가 지적했듯이 "전체가 방직용 섬유를 만드는 데 사용되는 회전하는 방추에 의해 형성되는 꼬인 실과 비슷합니다. 방추가 없는 점을 제외하고는 시스템이 자연스럽게 얽혀 회전하는 구조를 형성합니다."

흐름은 흐름에 영향을 주는 시트에 영향을 줍니다.

결과를 추가로 분석한 결과, Manna는 반응물의 국부적 농도에서 작은 무작위 변동이 유체에 매달려 있는 4개의 시트가 위쪽으로 끌리고 서로 얽히고 회전하기에 충분한 토크를 생성한다는 것을 발견했습니다. 이러한 상호 연결 현상은 반응물과 생성물이 서로 다른 부피를 가질 때 본질적으로 발생하며, 이는 중력이 존재할 때 밀도 구배를 생성합니다.

Balaz는 "이 간단한 2D 시트가 1티스푼의 포도당과 같은 반응물을 챔버에 "뿌림"함으로써 복잡한 나선을 형성하는 것을 보고 놀랐다고 말했습니다. "시트 수를 8개로 두 배로 늘리면 나선의 복잡성이 증가했습니다. 이것이 빙산의 일각인지 궁금했습니다. 더 누르면 소프트 프로그래밍에 중요한 다양한 동적 움직임을 달성하기 위한 매개변수를 개발할 수 있을까요? 로봇."

Shklyaev는 "장치는 일반적으로 2차원이 아니라 3차원이므로 디자인 규칙을 만들어 시트로 형성되는 회전 구조의 복잡성을 높일 수 있습니다. Anna는 Henri Matisse의 La Danse 그림에서 영감을 얻었고 우리는 댄서들의 포즈를 복제할 수 있었습니다."

Manna와 Shklyaev는 4개의 시트에 확장을 추가하여 뻗은 팔과 유사한 T자형 구조를 만들었습니다. Shklyaev에 따르면 시트의 모양을 변경하면 시트의 움직임을 조정하여 원 춤과 유사하게 "조정"할 수 있습니다.

Balazs에 따르면, 연구원들은 서로 연결된 시트가 어떻게 설계되고 배열되어야 하는지를 수량화하여 다른 사람들이 더 강력하고 확장 가능한 시스템을 개발할 수 있도록 할 수 있습니다. 또한 모델링에서 직사각형이었던 유체를 담는 용기의 다양한 모양은 시스템의 동적 응답을 조정하기 위한 또 다른 핸들을 제공합니다.

"화학 에너지가 유체로 방출되면 특정 동작을 수행할 수 있는 기계적 에너지로 변환됩니다. 그리고 이 과정에서 에너지가 소산되지만 다른 소량의 반응물을 추가하는 것만으로도 다시 활성화됩니다."라고 그녀는 말했습니다. "우리 연구의 다음 단계는 수동 및 능동 시트를 프로그래밍하여 다른 짜여진 3차원 구조를 형성하는 것입니다. 이제 반응을 제어하는 ​​방법을 알게 되었습니다."