來自微粒的電流

利用一種被稱為微湧現行為的現象，麻省理工學院的工程師創造了可以共同產生復雜活動的基本微粒，例如蟻群建造隧道或覓食。 當微粒合作時，它們可以創建一個以非常低的頻率振蕩的時鐘。 研究人員已經證明，可以利用這些振盪為小型機器人設備供電。

“這種行為可以轉化為內置的振盪電信號，除了對物理學感興趣之外，它還可以在微型機器人自主性方面非常有效。 許多電氣部件都需要這種振盪輸入，包括剛從麻省理工學院畢業的楊靖凡，也是該研究的主要作者之一，”補充道。

新振盪器的組成粒子參與了一種簡單的化學機制，使它們能夠通過形成和破裂微小的氣泡來相互交流。 在適當的條件下，這些相互作用會導致振盪器以幾秒的間隔跳動，就像時鐘一樣。

麻省理工學院化學工程教授邁克爾·斯特拉諾（Michael Strano）表示：“我們正在嘗試尋找非常簡單的規則或屬性，您可以將它們編碼到相對簡單的微型機器人機器中，這樣我們就可以讓它們共同執行高度複雜的任務。”

在 Todd Murphey 教授的指導下，西北大學的研究生 Thomas Berrueta 是該研究的合著者。

螞蟻和蜜蜂等昆蟲群落可以執行群體中單個成員永遠無法完成的任務，這是緊急行為的一個例子。

“螞蟻的大腦很小，執行極其基本的認知功能，但是當它們一起工作時，它們可以做出驚人的事情。 他們可以收集食物並創建這些複雜的隧道系統，”斯特拉諾說。 “像我這樣的物理學家和工程師想要了解這些規則，因為這意味著我們可以創造出能夠共同完成複雜任務的微小生物。”

在這個項目中，目標是創造能夠以非常低的頻率產生振盪或有節奏運動的粒子。 直到最近，製造低頻微振盪器還需要昂貴、複雜的電子設備或具有復雜化學成分的特殊材料。

在這項研究中，研究人員創造了直徑為 100 微米的圓盤作為基本粒子。 SU-8 聚合物圓盤上的鉑片可以加速過氧化氫向水和氧氣的轉化。

當放置在平坦表面上的液滴表面上時，顆粒傾向於向過氧化氫液滴的頂部移動。 它們與液體-空氣接觸的其他粒子相互作用。 每個粒子都會產生一個小的氧氣氣泡，當兩個粒子足夠接近以相互作用時，氣泡就會破裂，粒子就會分離。 然後該過程隨著新氣泡的形成而重新開始。

楊說，當粒子一起工作時，“它們可以做一些非常奇妙和有用的事情，這實際上在微觀尺度上很難實現。 一個粒子本身保持不動，沒有什麼令人著迷的東西。

科學家們發現，兩個粒子可以形成一個相當可靠的振盪器，但隨著更多粒子的添加，節奏變得不穩定。 然而，添加一個與其他粒子略有不同的粒子可以充當“引導者”，在有節奏的振盪器中重新排列其他粒子。

這個先導粒子與其他粒子大小相同，但由於它含有稍大的鉑片，它可以產生更大的氧氣氣泡。 這允許該粒子遷移到簇的中心，在那裡它控制所有其他粒子的振盪。 研究人員發現，他們可以使用這種方法製造出至少包含 11 個粒子的振盪器。

該振盪器的頻率範圍為 0,1 至 0,3 赫茲，具體取決於粒子的數量； 這與控制步行和心跳等生物過程的低頻振盪器相當。

振盪電流

研究人員還展示了他們如何利用這些粒子的節拍來產生振盪電流。 為了實現這一目標，他們使用鉑和釕或金燃料電池代替鉑催化劑。 燃料電池的電壓通過粒子的機械振盪轉換為振盪電流，粒子的機械振盪有節奏地改變燃料電池一端到另一端的電阻。

在某些情況下，例如在為微型步行機器人供電時，產生振盪電流而不是恆定電流可能是有利的。 麻省理工學院的研究人員使用這種方法來證明他們可以為微型致動器提供動力，該致動器充當之前由康奈爾大學研究人員創建的小型步行機器人的腿。 第一個模型的激光源要求電流由人振盪，交替瞄準每組腿。 通過使用電線將電流從粒子傳輸到致動器，麻省理工學院的研究人員證明，其粒子產生的內置振盪電流可以為微型機器人腿的循環運動提供動力。

根據 Strano 的說法，他演示瞭如何將機械振盪轉化為電振盪，然後可以將其用於為機器人任務提供動力。

控制可用作傳感器來監測水污染的小型自主機器人群是此類技術的潛在用途之一。

資料來源：科技探索

Günceleme: 13/10/2022 19:56