MIT-ingeniører har designet enkle mikropartikler som kollektivt kan generere kompleks oppførsel, for eksempel å generere en oscillerende elektrisk strøm som kan brukes til å drive små robotenheter. Dette er et abstrakt kunstnerkonsept, ikke en faktisk video av mikropartiklene.
Enkle mikropartikler kan slå rytmisk sammen og generere en oscillerende elektrisk strøm som kan brukes til å drive mikrorobotenheter.
Working together, the microparticles can generate a beating clock that oscillates at a very low frequency. The researchers demonstrated how these oscillations can be harnessed to power tiny robotic devices.
“In addition to being interesting from a physics point of view, this behavior can also be translated into an on-board oscillatory electrical signal, which can be very powerful in microrobotic autonomy. There are a lot of electrical components that require such an oscillatory input,” says Jingfan Yang. He is one of the lead authors of the new study and a recent MIT PhD recipient.
MIT chemical engineers have shown that specialized particles can oscillate together, demonstrating a phenomenon known as emergent behavior. Credit: Courtesy of the researchers
A simple chemical reaction is performed by the particles used to create the new oscillator, which allows the particles to interact with each other through the formation and bursting of tiny gas bubbles. Under the right conditions, these interactions form an oscillator that behaves similar to a ticking clock, beating at intervals of a few seconds.
“We’re trying to look for very simple rules or features that you can encode into relatively simple microrobotic machines, to get them to collectively do very sophisticated tasks,” says Michael Strano. He is the senior author of the paper and the Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering at MIT.
Along with Yang, Thomas Berrueta, a
“Ants have minuscule brains and they do very simple cognitive tasks, but collectively they can do amazing things. They can forage for food and build these elaborate tunnel structures,” Strano says. “Physicists and engineers like myself want to understand these rules because it means we can make tiny things that collectively do complex tasks.”
In this study, the researchers wanted to design particles that could generate rhythmic movements, or oscillations, with a very low frequency. Until now, building low-frequency micro-oscillators has required sophisticated electronics that are expensive and difficult to design, or specialized materials with complex chemistries.
The simple particles that the researchers designed for this study are discs as small as 100 microns in diameter. The discs, made from a polymer called SU-8, have a platinum patch that can catalyze the breakdown of hydrogen peroxide into water and oxygen.
MIT kjemiske ingeniører viste at spesialiserte partikler kan oscillere sammen, og demonstrerer et fenomen kjent som emergent atferd. Til venstre svinger to partikler sammen, og til høyre, åtte partikler. Video med tillatelse fra forskerne.
Når partiklene er plassert på overflaten av en dråpe hydrogenperoksid på en flat overflate, har de en tendens til å bevege seg til toppen av dråpen. Ved denne væske-luft-grensesnittet samhandler de med andre partikler som finnes der. Hver partikkel produserer sin egen lille boble av oksygen, og når to partikler kommer nær nok til at boblene deres samhandler, spretter boblene og driver partiklene bort fra hverandre. Deretter begynner de å danne nye bobler, og syklusen gjentas om og om igjen.
“En partikkel i seg selv forblir stille og gjør ikke noe interessant, men gjennom teamarbeid kan de gjøre noe ganske fantastisk og nyttig, noe som faktisk er vanskelig å oppnå på mikroskala,” sier Yang.
Forskerne fant at to partikler kunne lage en veldig pålitelig oscillator, men etter hvert som flere partikler ble tilsatt, ville rytmen bli kastet av. Men hvis de la til en partikkel som var litt forskjellig fra de andre, kunne den partikkelen fungere som en “leder” som omorganiserte de andre partiklene tilbake til en rytmisk oscillator.
Denne lederpartikkelen har samme størrelse som de andre partiklene, men har en litt større platinalapp, som gjør at den kan lage en større oksygenboble. Dette lar denne partikkelen bevege seg til midten av gruppen, hvor den koordinerer svingningene til alle de andre partiklene. Ved å bruke denne tilnærmingen fant forskerne ut at de kunne lage oscillatorer som inneholder opptil minst 11 partikler.
Avhengig av antall partikler, slår denne oscillatoren med en frekvens på omtrent 0,1 til 0,3 hertz, som er i størrelsesorden de lavfrekvente oscillatorene som styrer biologiske funksjoner som å gå og hjerteslag.
Oscillerende strøm
Ingeniørene demonstrerte også at de kunne bruke den rytmiske slagingen av disse partiklene til å generere en oscillerende elektrisk strøm. For å gjøre det byttet de ut platinakatalysatoren med en brenselcelle laget av platina og ruthenium eller gull. Den mekaniske oscillasjonen av partiklene endrer rytmisk motstanden fra den ene enden av brenselcellen til den andre, som omdanner spenningen generert av brenselcellen til en oscillerende strøm.
Å generere en oscillerende strøm i stedet for en konstant kan være nyttig for applikasjoner som å drive små roboter som kan gå. MIT-forskerne brukte denne tilnærmingen for å vise at de kunne drive en mikroaktuator, som tidligere ble brukt som ben på en liten gårobot utviklet av forskere ved Cornell University. Den originale versjonen ble drevet av en laser som måtte pekes vekselvis på hvert sett med ben, for manuelt å oscillere strømmen. MIT-teamet viste at den oscillerende strømmen ombord generert av partiklene deres kunne drive den sykliske aktiveringen av mikrorobotbenet, ved å bruke en ledning for å overføre strømmen fra partiklene til aktuatoren.
“Det viser at denne mekaniske oscillasjonen kan bli en elektrisk oscillasjon, og så kan den elektriske oscillasjonen faktisk drive aktiviteter som en robot ville gjøre,” sier Strano.
En mulig applikasjon for denne typen system vil være å kontrollere svermer av små autonome roboter som kan brukes som sensorer for å overvåke vannforurensning.
Referanse: “Emergent mikrorobotiske oscillatorer via asymmetri-indusert rekkefølge” 13. oktober 2022, Naturkommunikasjon.
DOI: 10.1038/s41467-022-33396-5
Forskningen ble delvis finansiert av US Army Research Office, US Department of Energy og National Science Foundation.