【導(dǎo)讀】麻省理工學(xué)院的工程師們利用一種被稱為微尺度上的突發(fā)行為的現(xiàn)象，設(shè)計了一種簡單的微粒，可以集體產(chǎn)生復(fù)雜的行為，就像一群螞蟻挖地道或收集食物一樣。
麻省理工學(xué)院的工程師們利用一種被稱為微尺度上的突發(fā)行為的現(xiàn)象，設(shè)計了一種簡單的微粒，可以集體產(chǎn)生復(fù)雜的行為，就像一群螞蟻挖地道或收集食物一樣。
這些微粒可以一起產(chǎn)生一個以非常低的頻率振蕩的電流。研究人員表示，這些振蕩可以被用來驅(qū)動微型機器人設(shè)備。
麻省理工學(xué)院博士、這項新研究的主要作者之一Jingfan Yang說：“除了從物理學(xué)的角度來看很有趣，這種行為還可以轉(zhuǎn)化為車載振蕩電信號，這在微型機器人的自主性中非常強大。有很多電氣元件需要這種振蕩輸入。”
用來制造新振蕩器的粒子進行一個簡單的化學(xué)反應(yīng)，使粒子通過微小氣泡的形成和破裂相互作用。在正確的條件下，這些相互作用產(chǎn)生了一個振蕩器，其行為類似于滴答作響的時鐘，以幾秒鐘的間隔跳動。
麻省理工學(xué)院Carbon P.Dubbs化學(xué)工程教授Michael Strano說：“我們正在努力尋找非常簡單的規(guī)則或特征，你可以將它們編碼成相對簡單的微型機器人機器，讓它們共同完成非常復(fù)雜的任務(wù)。”。
Strano是這篇新論文的資深作者，該論文發(fā)表在自然通訊托德·默菲教授建議西北大學(xué)的研究生托馬斯·貝魯塔（Thomas Berrueta）和Jingfan Yang一起是這項研究的主要作者。
集體行為。
在自然界中可以看到突現(xiàn)行為的示范，在那里，螞蟻和蜜蜂等昆蟲群體完成了群體中單個成員永遠無法完成的壯舉。
Strano說：“螞蟻的大腦很小，它們能完成非常簡單的認知任務(wù)，但它們能共同完成驚人的事情，它們可以覓食，建造這些精致的隧道結(jié)構(gòu)。”。“像我這樣的物理學(xué)家和工程師想要理解這些規(guī)則，因為這意味著我們可以制造出微小的東西，共同完成復(fù)雜的任務(wù)。”
在這項研究中，研究人員希望設(shè)計出能夠以非常低的頻率產(chǎn)生有節(jié)奏的運動或振蕩的粒子。到目前為止，制造低頻微振蕩器需要昂貴且難以設(shè)計的精密電子器件，或具有復(fù)雜化學(xué)性質(zhì)的特殊材料。
研究人員為這項研究設(shè)計的簡單粒子是直徑只有100微米的圓盤。這些圓盤由一種叫做SU-8的聚合物制成，上面有一個鉑片，可以催化過氧化氫分解成水和氧。
當(dāng)顆粒被放置在一個平坦表面上的過氧化氫液滴表面時，它們往往會移動到液滴的頂部。在這個液-氣界面上，它們與在那里發(fā)現(xiàn)的任何其他粒子相互作用。每一個粒子都會產(chǎn)生自己的小氧氣泡，當(dāng)兩個粒子靠得足夠近以至于它們的氣泡相互作用時，氣泡就會破裂，推動粒子彼此遠離。然后，他們開始形成新的泡沫，這個循環(huán)反復(fù)出現(xiàn)。
Jingfan Yang說：“一個粒子本身靜止不動，不會做任何有趣的事情，但通過團隊合作，他們可以做一些非常令人驚奇和有用的事情，這實際上是一件很難在微尺度上實現(xiàn)的事情。”。。
研究人員發(fā)現(xiàn)，兩個粒子可以構(gòu)成一個非常可靠的振蕩器，但是當(dāng)加入更多的粒子時，節(jié)奏會被打亂。然而，如果他們加入一個與其他粒子稍有不同的粒子，這個粒子可以充當(dāng)“領(lǐng)導(dǎo)者”，將其他粒子重新組織成有節(jié)奏的振蕩器。
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這個領(lǐng)先粒子的大小與其他粒子相同，但有一個稍大的鉑片，這使得它能夠產(chǎn)生更大的氧氣泡。這允許該粒子移動到組的中心，在那里它協(xié)調(diào)所有其他粒子的振蕩。利用這種方法，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以制造出至少包含11個粒子的振蕩器。
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根據(jù)粒子數(shù)的不同，這種振蕩器的頻率約為0.1到0.3赫茲，這與控制行走和心臟跳動等生物功能的低頻振蕩器的階數(shù)相同。。
振蕩電流。
研究人員還表明，他們可以利用這些粒子有節(jié)奏的跳動來產(chǎn)生振蕩電流。為此，他們將鉑催化劑換成了由鉑、釕或金制成的燃料電池。粒子的機械振蕩有節(jié)奏地改變?nèi)剂想姵匾欢说搅硪欢说碾娮瑁瑥亩鴮⑷剂想姵禺a(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換為振蕩電流。。
Kyle Bishop說：“漂浮在液體界面上的催化微盤就像滴水的水龍頭一樣，利用化學(xué)反應(yīng)來驅(qū)動氣泡的周期性增長和釋放。研究表明，如何利用這些振蕩動力學(xué)來實現(xiàn)與微型機器人相關(guān)的機械驅(qū)動和電化學(xué)信號傳遞。”，哥倫比亞大學(xué)化學(xué)工程教授，他沒有參與這項研究。
產(chǎn)生一個振蕩電流而不是恒定電流，對于諸如為能夠行走的微型機器人供電的應(yīng)用可能很有用。麻省理工學(xué)院的研究人員用這種方法證明了他們可以給一個微執(zhí)行器供電，這個微執(zhí)行器以前被用作康奈爾大學(xué)研究人員開發(fā)的小型步行機器人的腿。最初的版本是由一個激光器驅(qū)動的，它必須交替指向每一組腿，以手動振蕩電流。麻省理工學(xué)院的研究小組表明，他們的粒子產(chǎn)生的車載振蕩電流可以驅(qū)動微型機器人腿的循環(huán)驅(qū)動，利用一根電線將電流從粒子傳遞到執(zhí)行器。
斯特拉諾說：“這表明，這種機械振蕩可以變成一種電振蕩，然后這種電振蕩實際上可以為機器人的活動提供動力。”。
這種系統(tǒng)的一個可能的應(yīng)用是控制成群的小型自主機器人，這些機器人可以用作監(jiān)測水污染的傳感器。
參考鏈接：Tiny particles work together to do big things
（來源：EDN電子技術(shù)設(shè)計，作者：MIT）
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