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小粒子也能做大事,一个简单的装置让微粒产生振荡电流

2022-10-17 14:20:55 MIT 阅读:
麻省理工学院的工程师们利用一种被称为微尺度上的突发行为的现象,设计了一种简单的微粒,可以集体产生复杂的行为,就像一群蚂蚁挖地道或收集食物一样。这些微粒可以一起产生一个以非常低的频率振荡的电流。研究人员表示,这些振荡可以被用来驱动微型机器人设备。

麻省理工学院的工程师们利用一种被称为微尺度上的突发行为的现象,设计了一种简单的微粒,可以集体产生复杂的行为,就像一群蚂蚁挖地道或收集食物一样。BMSednc

这些微粒可以一起产生一个以非常低的频率振荡的电流。研究人员表示,这些振荡可以被用来驱动微型机器人设备。BMSednc

麻省理工学院博士、这项新研究的主要作者之一Jingfan Yang说:“除了从物理学的角度来看很有趣,这种行为还可以转化为车载振荡电信号,这在微型机器人的自主性中非常强大。有很多电气元件需要这种振荡输入。” BMSednc

用来制造新振荡器的粒子进行一个简单的化学反应,使粒子通过微小气泡的形成和破裂相互作用。在正确的条件下,这些相互作用产生了一个振荡器,其行为类似于滴答作响的时钟,以几秒钟的间隔跳动。BMSednc

麻省理工学院Carbon P.Dubbs化学工程教授Michael Strano说:“我们正在努力寻找非常简单的规则或特征,你可以将它们编码成相对简单的微型机器人机器,让它们共同完成非常复杂的任务。”。BMSednc

Strano是这篇新论文的资深作者,该论文发表在自然通讯托德·默菲教授建议西北大学的研究生托马斯·贝鲁塔(Thomas Berrueta)和Jingfan Yang一起是这项研究的主要作者。BMSednc

集体行为

在自然界中可以看到突现行为的示范,在那里,蚂蚁和蜜蜂等昆虫群体完成了群体中单个成员永远无法完成的壮举。BMSednc

Strano说:“蚂蚁的大脑很小,它们能完成非常简单的认知任务,但它们能共同完成惊人的事情,它们可以觅食,建造这些精致的隧道结构。”。“像我这样的物理学家和工程师想要理解这些规则,因为这意味着我们可以制造出微小的东西,共同完成复杂的任务。”BMSednc

在这项研究中,研究人员希望设计出能够以非常低的频率产生有节奏的运动或振荡的粒子。到目前为止,制造低频微振荡器需要昂贵且难以设计的精密电子器件,或具有复杂化学性质的特殊材料。BMSednc

研究人员为这项研究设计的简单粒子是直径只有100微米的圆盘。这些圆盘由一种叫做SU-8的聚合物制成,上面有一个铂片,可以催化过氧化氢分解成水和氧。BMSednc

当颗粒被放置在一个平坦表面上的过氧化氢液滴表面时,它们往往会移动到液滴的顶部。在这个液-气界面上,它们与在那里发现的任何其他粒子相互作用。每一个粒子都会产生自己的小氧气泡,当两个粒子靠得足够近以至于它们的气泡相互作用时,气泡就会破裂,推动粒子彼此远离。然后,他们开始形成新的泡沫,这个循环反复出现。BMSednc

Jingfan Yang说:“一个粒子本身静止不动,不会做任何有趣的事情,但通过团队合作,他们可以做一些非常令人惊奇和有用的事情,这实际上是一件很难在微尺度上实现的事情。”。BMSednc

研究人员发现,两个粒子可以构成一个非常可靠的振荡器,但是当加入更多的粒子时,节奏会被打乱。然而,如果他们加入一个与其他粒子稍有不同的粒子,这个粒子可以充当“领导者”,将其他粒子重新组织成有节奏的振荡器。BMSednc

这个领先粒子的大小与其他粒子相同,但有一个稍大的铂片,这使得它能够产生更大的氧气泡。这允许该粒子移动到组的中心,在那里它协调所有其他粒子的振荡。利用这种方法,研究人员发现他们可以制造出至少包含11个粒子的振荡器。BMSednc

根据粒子数的不同,这种振荡器的频率约为0.1到0.3赫兹,这与控制行走和心脏跳动等生物功能的低频振荡器的阶数相同。BMSednc

振荡电流

研究人员还表明,他们可以利用这些粒子有节奏的跳动来产生振荡电流。为此,他们将铂催化剂换成了由铂、钌或金制成的燃料电池。粒子的机械振荡有节奏地改变燃料电池一端到另一端的电阻,从而将燃料电池产生的电压转换为振荡电流。BMSednc

Kyle Bishop说:“漂浮在液体界面上的催化微盘就像滴水的水龙头一样,利用化学反应来驱动气泡的周期性增长和释放。研究表明,如何利用这些振荡动力学来实现与微型机器人相关的机械驱动和电化学信号传递。”,哥伦比亚大学化学工程教授,他没有参与这项研究。BMSednc

产生一个振荡电流而不是恒定电流,对于诸如为能够行走的微型机器人供电的应用可能很有用。麻省理工学院的研究人员用这种方法证明了他们可以给一个微执行器供电,这个微执行器以前被用作康奈尔大学研究人员开发的小型步行机器人的腿。最初的版本是由一个激光器驱动的,它必须交替指向每一组腿,以手动振荡电流。麻省理工学院的研究小组表明,他们的粒子产生的车载振荡电流可以驱动微型机器人腿的循环驱动,利用一根电线将电流从粒子传递到执行器。BMSednc

斯特拉诺说:“这表明,这种机械振荡可以变成一种电振荡,然后这种电振荡实际上可以为机器人的活动提供动力。”。BMSednc

这种系统的一个可能的应用是控制成群的小型自主机器人,这些机器人可以用作监测水污染的传感器。BMSednc

参考链接:Tiny particles work together to do big thingsBMSednc

责编:Demi
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