【導讀】麻省理工學院的工程師們利用一種被稱為微尺度上的突發行為的現象，設計了一種簡單的微粒，可以集體產生復雜的行為，就像一群螞蟻挖地道或收集食物一樣。
麻省理工學院的工程師們利用一種被稱為微尺度上的突發行為的現象，設計了一種簡單的微粒，可以集體產生復雜的行為，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動微型機器人設備。
麻省理工學院博士、這項新研究的主要作者之一Jingfan Yang說：“除了從物理學的角度來看很有趣，這種行為還可以轉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反應，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。
麻省理工學院Carbon P.Dubbs化學工程教授Michael Strano說：“我們正在努力尋找非常簡單的規則或特征，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雜的任務。”。
Strano是這篇新論文的資深作者，該論文發表在自然通訊托德·默菲教授建議西北大學的研究生托馬斯·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，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構。”。“像我這樣的物理學家和工程師想要理解這些規則，因為這意味著我們可以制造出微小的東西，共同完成復雜的任務。”
在這項研究中，研究人員希望設計出能夠以非常低的頻率產生有節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計的精密電子器件，或具有復雜化學性質的特殊材料。
研究人員為這項研究設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，它們與在那里發現的任何其他粒子相互作用。每一個粒子都會產生自己的小氧氣泡，當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，這個循環反復出現。
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的事情。”。。
研究人員發現，兩個粒子可以構成一個非常可靠的振蕩器，但是當加入更多的粒子時，節奏會被打亂。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“領導者”，將其他粒子重新組織成有節奏的振蕩器。
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這個領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，在那里它協調所有其他粒子的振蕩。利用這種方法，研究人員發現他們可以制造出至少包含11個粒子的振蕩器。
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根據粒子數的不同，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奏的跳動來產生振蕩電流。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奏地改變燃料電池一端到另一端的電阻，從而將燃料電池產生的電壓轉換為振蕩電流。。
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，利用化學反應來驅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來實現與微型機器人相關的機械驅動和電化學信號傳遞。”，哥倫比亞大學化學工程教授，他沒有參與這項研究。
產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用可能很有用。麻省理工學院的研究人員用這種方法證明了他們可以給一個微執行器供電，這個微執行器以前被用作康奈爾大學研究人員開發的小型步行機器人的腿。最初的版本是由一個激光器驅動的，它必須交替指向每一組腿，以手動振蕩電流。麻省理工學院的研究小組表明，他們的粒子產生的車載振蕩電流可以驅動微型機器人腿的循環驅動，利用一根電線將電流從粒子傳遞到執行器。
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。”。
這種系統的一個可能的應用是控制成群的小型自主機器人，這些機器人可以用作監測水污染的傳感器。
參考鏈接：Tiny particles work together to do big things
（來源：EDN電子技術設計，作者：MIT）
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