從《一千零一夜》到迪士尼的《阿拉丁神燈》，故事中的“魔法飛毯”充滿了想象力，不僅是因?yàn)樗梢燥w行，而且還可以揮動(dòng)、拍打和改變其形狀以服務(wù)于坐在上面的人。匹茲堡大學(xué)斯旺森工程學(xué)院(swanson school of engineering)的一個(gè)研究小組利用這種靈感，在溶液中的催化化學(xué)反應(yīng)的幫助下，設(shè)計(jì)出了一種二維、可改變形狀的薄片，可以在充滿反應(yīng)物的液體中自主移動(dòng)。

這篇題為《設(shè)計(jì)自動(dòng)推進(jìn)、化學(xué)活性強(qiáng)的薄片：包裝紙、擋板和爬行物》的文章最近發(fā)表在美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)(aaas)雜志《科學(xué)進(jìn)展》上。首席研究員是anna c. balazs。主要作者是abhrajit laskar，合著者是oleg e. shklyaev，兩人都是博士后。

“長(zhǎng)期以來，在化學(xué)領(lǐng)域，創(chuàng)造一個(gè)能夠在環(huán)境中自行移動(dòng)的非生命物體一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，而這反過來又會(huì)改變物體的形狀，讓它能夠執(zhí)行全新的任務(wù)，比如捕捉其他物體。” balazs博士解釋，“此前，研究人員已經(jīng)在一種表面上制作了具有化學(xué)活性的薄片，這種薄片可以產(chǎn)生流體，但流體不會(huì)影響貼片的位置或形狀。在我們自己的實(shí)驗(yàn)室里，我們模擬了球形和長(zhǎng)方形的粒子，它們可以在充滿液體的微室里自主運(yùn)動(dòng)。但現(xiàn)在我們有了這個(gè)集成的系統(tǒng)，它利用化學(xué)反應(yīng)激活流體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳送一個(gè)靈活的物體并“塑造”它的形狀，這一切都是自動(dòng)發(fā)生的。”

該研究小組通過在柔性板上引入催化劑涂層實(shí)現(xiàn)了這種自行移動(dòng)和重新配置的壯舉，該涂層大致是人類頭發(fā)的寬度。向周圍流體中添加反應(yīng)物引發(fā)飛毯運(yùn)動(dòng)和其形狀的變化。“據(jù)我們所知，這是第一次將這些催化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用于2d薄片以產(chǎn)生流動(dòng)，將這些板材轉(zhuǎn)化為移動(dòng)的3d物體。”balazs博士說。

此外，通過在薄片的特定區(qū)域放置不同的催化劑并控制流體中反應(yīng)物的量和類型，該組產(chǎn)生了有用的催化反應(yīng)級(jí)聯(lián)，其中一種催化劑分解相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)，然后成為下一組催化反應(yīng)的反應(yīng)物。加入不同的反應(yīng)物，設(shè)計(jì)合適的薄片結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的動(dòng)作——在這項(xiàng)研究中，包裹一個(gè)物體，做一個(gè)拍打的動(dòng)作，以及在表面障礙物上翻滾。

“包含這些活性薄片的微流體裝置現(xiàn)在可以執(zhí)行重要功能，例如運(yùn)送貨物，抓住柔軟細(xì)膩的物體，甚至爬行以清潔表面。” shklyaev博士說， “這些靈活的微型機(jī)器簡(jiǎn)單地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為自發(fā)的重組和運(yùn)動(dòng)，這使它們能夠完成有用的工作。”

laskar博士補(bǔ)充說，如果將薄片切成四瓣花的形狀并放置在微流體裝置的表面上，花瓣?duì)畹幕瘜W(xué)成分可以“編程”以單獨(dú)打開和關(guān)閉，從而創(chuàng)建執(zhí)行邏輯的操作，以及產(chǎn)生特定的流體流以在整個(gè)裝置中輸送顆粒。

“例如，像捕手的手套一樣，你可以利用花瓣捕捉微觀球并將其保持一段時(shí)間，然后在不同的花瓣上發(fā)起新的化學(xué)反應(yīng)，使球在它們之間移動(dòng)?；瘜W(xué)式的追趕游戲。” laskar博士解釋說，“這種水平的空間和時(shí)間控制允許分階段的反應(yīng)和分析，否則你無法用不可變形的材料進(jìn)行分析。”

該小組還嘗試將催化劑放置在薄片的不同部分上以產(chǎn)生特定的運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，將催化劑僅放置在薄片的主體上而不是頭部和尾部，引發(fā)了一種爬行運(yùn)動(dòng)，這種爬行與尺骨蟲的蠕動(dòng)極為相似。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)障礙物被放置在涂層板的前面時(shí)，它將在障礙物上翻滾并繼續(xù)移動(dòng)，允許其穿過顛簸的地形。

“這項(xiàng)研究讓我們進(jìn)一步了解化學(xué)如何在微流體裝置中驅(qū)動(dòng)自主、自發(fā)的移動(dòng)和運(yùn)動(dòng)。” balazs博士說，“我們的下一個(gè)任務(wù)是通過使用多個(gè)薄片的相互作用和自行組織來探索微加工，將它們組合到特定的結(jié)構(gòu)中，以執(zhí)行復(fù)雜的、協(xié)調(diào)的功能。此外，通過試驗(yàn)不同的刺激，如熱和光，我們可以設(shè)計(jì)移動(dòng)的三維微型機(jī)器，使其形狀和行動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的變化。這種水平的響應(yīng)行為對(duì)于創(chuàng)造下一代軟體機(jī)器人設(shè)備至關(guān)重要。”