Використовуючи явище, відоме як мікроемергентна поведінка, інженери Массачусетського технологічного інституту створили елементарні мікрочастинки, які можуть колективно здійснювати складні дії, такі як колонія мурашок, будуючи тунелі або шукаючи їжу. Коли мікрочастинки співпрацюють, вони можуть створити годинник, який коливається на дуже низькій частоті. Дослідники продемонстрували, що ці коливання можна використовувати для живлення невеликих роботів.
«Цю поведінку можна перевести у вбудований коливальний електричний сигнал, який, окрім того, що представляє інтерес для фізики, може бути дуже ефективним у мікророботній автономії. Багатьом електричним частинам потрібен такий коливальний сигнал, у тому числі Цзінфан Янг, нещодавній випускник Массачусетського технологічного інституту та один із головних авторів дослідження», – додає.
Частинки, що входять до складу нового осцилятора, беруть участь у простому хімічному механізмі, який дозволяє їм спілкуватися один з одним, утворюючи та лопаючи крихітні газові бульбашки. Ці взаємодії за правильних умов призводять до осцилятора, який б’ється з інтервалом у кілька секунд, як годинник.
За словами Майкла Страно, професора хімічної інженерії Массачусетського технологічного інституту, «ми намагаємося знайти дуже прості правила або властивості, які можна закодувати у відносно простих мікророботизованих машинах, щоб ми могли змусити їх масово виконувати дуже складні завдання».
Томас Берруета, аспірант Північно-Західного університету під керівництвом професора Тодда Мерфі, є співавтором дослідження разом з Янгом.
Колонії комах, таких як мурахи та бджоли, можуть виконувати завдання, які ніколи не міг би виконати окремий член групи, що є прикладом емерджентної поведінки.
«Мурахи мають маленький мозок і виконують надзвичайно базові когнітивні функції, але коли вони працюють разом, вони можуть робити дивовижні речі. Вони можуть збирати їжу та створювати ці складні системи тунелів», — каже Страно. «Фізики та інженери, як я, хочуть зрозуміти ці правила, тому що це означає, що ми можемо створювати крихітних істот, які працюють разом, щоб виконувати складні завдання».
У цьому проекті метою було створити частинки, які могли б виробляти коливання або ритмічні рухи на дуже низьких частотах. Донедавна створення низькочастотних мікроосциляторів вимагало дорогої, складної електроніки або спеціальних матеріалів зі складною хімією.
Для цього дослідження дослідники створили диски діаметром 100 мікрон у вигляді елементарних частинок. Платиновий пластир на полімерних дисках SU-8 може прискорити перетворення перекису водню на воду і кисень.
Частинки мають тенденцію рухатися до верхньої частини краплі перекису водню, якщо їх помістити на поверхню краплі на плоскій поверхні. Вони взаємодіють з іншими частинками в контакті рідина-повітря. Кожна частинка створює маленьку бульбашку кисню, і коли дві частинки наближаються достатньо близько, щоб взаємодіяти, бульбашки лопаються, і частинки розділяються. Потім процес поновлюється з утворенням нових бульбашок.
Коли частинки працюють разом, каже Ян, «вони можуть зробити щось досить фантастичне та корисне, чого насправді важко досягти на мікромасштабі. Частинка сама по собі залишається нерухомою і не робить нічого захоплюючого.
Вчені виявили, що дві частинки можуть створити досить надійний осцилятор, але ритм стає непостійним, коли додається більше частинок. Однак додавання однієї частинки, яка трохи відрізняється від інших, може служити «лідером», який переставляє інші частинки в ритмічний осцилятор.
Ця лідерна частинка має такий самий розмір, як і інші частинки, але оскільки вона містить трохи більшу частину платини, вона може виробляти більшу бульбашку кисню. Це дозволяє цій частинці мігрувати до центру кластера, де вона контролює коливання всіх інших частинок. Дослідники виявили, що за допомогою цього методу вони можуть створити осцилятори щонайменше з 11 частинками.
Цей осцилятор має частоту від 0,1 до 0,3 герца, залежно від кількості частинок; це на одному рівні з низькочастотними осциляторами, які контролюють біологічні процеси, такі як ходьба та серцебиття.
Коливальний струм
Дослідники також продемонстрували, як вони можуть використовувати ритмічні биття цих частинок для створення коливального електричного струму. Щоб цього досягти, замість платинового каталізатора вони використовували платиновий і рутенієвий або золотий паливний елемент. Напруга паливного елемента перетворюється в коливальний струм шляхом механічних коливань частинок, які ритмічно змінюють опір від одного кінця паливного елемента до іншого.
У деяких випадках, наприклад під час живлення мініатюрних крокуючих роботів, може бути вигідніше генерувати коливальний струм, а не постійний. Цей метод був використаний дослідниками Массачусетського технологічного інституту, щоб продемонструвати, що вони можуть привести в дію мікропривід, який служив ніжками маленького крокуючого робота, раніше створеного дослідниками Корнельського університету. Лазерне джерело першої моделі вимагало від людини коливань струму, по черзі спрямованих на кожну ногу. Використовуючи дріт для передачі струму від частинок до приводу, дослідники Массачусетського технологічного інституту продемонстрували, що вбудований коливальний струм, який створюють його частинки, може забезпечувати циклічний рух ноги мікроробота.
За словами Страно, він демонструє, як механічне коливання можна перетворити на електричне, яке потім можна використовувати для виконання роботів.
Керування зграями маленьких автономних роботів, які можна використовувати як датчики для моніторингу забруднення води, є одним із потенційних застосувань цього типу технології.
Джерело: techxplore
Günceleme: 13/10/2022 19:56
Першим залиште коментар