新型棘轮机构采用几何对称齿轮由不对称表面润湿性驱动

棘轮机构是一种令人着迷的能量转换系统，它通过一种称为自发整流的过程将无序或随机的运动转换为有序、定向的运动。它是机械系统的关键部件，通常由齿轮和棘爪组成，棘爪将齿轮的运动限制在一个方向上。

在生物系统中，布朗棘轮的概念已被提出来帮助理解分子马达的机制，其中化学反应纠正分子的随机热运动。

根据热力学第二定律，均匀的热涨落不能自发产生规则运动。因此，实际的布朗棘轮需要非平衡涨落才能发挥作用。

生物系统中的生理化学反应会调节热运动，并会产生非热波动，而这对棘轮机制来说可能至关重要。此外，确定哪些类型的非平衡噪声运动可以通过棘轮机制纠正，是科学中一个有趣而又基本的课题，有助于开发新型能量收集技术。

费曼-斯莫洛霍夫斯基棘轮是主动布朗棘轮的经典例子，它引发了大量棘轮电机研究。

在大多数研究中，棘轮机制涉及使用几何不对称棘轮来纠正由机械振动引起的非热波动。

一项突破是，同志社大学化学工程与材料科学系的研究小组在博士生 Miku Hatatani 的带领下，与副教授 Yamamoto Daigo 和教授 Akihisa Shioi 一起，使用几何对称齿轮，开发出了一种基于表面润湿性不对称的新型棘轮机构。

“我们实现了主动布朗棘轮马达的新模型，该模型利用棘轮机构的表面能分布。这与传统的几何非对称棘轮截然不同，更接近生物棘轮，”Hatatani 解释道。

他们的研究于 2024 年 7 月 18 日发表在《科学报告》杂志上。

团队研发的创新棘轮机制，是几何对称的星形齿轮，以丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 树脂制成，有六个三角形齿。从齿轮正面看，石蜡膜交替贴在每个齿的右侧，导致齿两侧表面的润湿性不同。

测试时，将齿轮放入装满水的培养皿中，正面朝向培养皿顶部安装的摄像头。齿轮用图钉穿过中心的钻孔固定。培养皿放在振动盘上，振动盘以预定频率垂直振动，在水中产生随机波动。

带有保鲜膜的齿轮在水床中以受限的频率和振幅范围进行垂直振动，并进行单向旋转。

相比之下，没有使用封口膜的齿轮在任何频率或振幅下都不会表现出单向旋转。封口膜齿轮的单向旋转由齿轮的手性决定，这意味着从不同面看，齿轮的旋转方向是相反的。