Ved å utnytte et fenomen kjent som emergent atferd i mikroskalaen, har MIT-ingeniører designet enkle mikropartikler som kollektivt kan generere kompleks atferd, omtrent på samme måte som en maurkoloni kan grave tunneler eller samle mat.
Ved å arbeide sammen kan mikropartiklene generere en slående klokke som svinger med en svært lav frekvens. Disse svingningene kan deretter utnyttes til å drive små robotenheter, viste forskerne.
“I tillegg til å være interessant fra et fysikksynspunkt, kan denne oppførselen også oversettes til et oscillerende elektrisk signal om bord, som kan være veldig kraftig i mikrorobotautonomi. Det er mange elektriske komponenter som krever en slik oscillerende inngang, sier Jingfan Yang, en nylig MIT PhD-mottaker og en av hovedforfatterne av den nye studien.
Partiklene som brukes til å lage den nye oscillatoren utfører en enkel kjemisk reaksjon som lar partiklene samhandle med hverandre gjennom dannelse og sprengning av små gassbobler. Under de rette forholdene skaper disse interaksjonene en oscillator som oppfører seg lik en tikkende klokke, som slår med noen sekunders mellomrom.
“Vi prøver å se etter veldig enkle regler eller funksjoner som du kan kode inn i relativt enkle mikrorobotiske maskiner, for å få dem til sammen å utføre veldig sofistikerte oppgaver,” sier Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kjemiteknikk ved MIT.
Strano er seniorforfatter av det nye papiret, som vises i dag i Naturkommunikasjon. Sammen med Yang er Thomas Berrueta, en doktorgradsstudent fra Northwestern University rådet av professor Todd Murphey, hovedforfatter av studien.
Kollektiv oppførsel
Demonstrasjoner av fremvoksende atferd kan sees i hele den naturlige verden, der kolonier av insekter som maur og bier oppnår bragder som et enkelt medlem av gruppen aldri ville kunne oppnå.
“Maur har små hjerner og de gjør veldig enkle kognitive oppgaver, men sammen kan de gjøre fantastiske ting. De kan søke etter mat og bygge disse forseggjorte tunnelstrukturene, sier Strano. “Fysikere og ingeniører som meg selv ønsker å forstå disse reglene fordi det betyr at vi kan lage små ting som sammen gjør komplekse oppgaver.”
I denne studien ønsket forskerne å designe partikler som kunne generere rytmiske bevegelser, eller oscillasjoner, med en svært lav frekvens. Til nå har bygging av lavfrekvente mikrooscillatorer krevd sofistikert elektronikk som er dyrt og vanskelig å designe, eller spesialiserte materialer med kompleks kjemi.
De enkle partiklene som forskerne designet for denne studien er skiver så små som 100 mikron i diameter. Skivene, laget av en polymer kalt SU-8, har en platinalapp som kan katalysere nedbrytningen av hydrogenperoksid til vann og oksygen.
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.
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.
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
Forskerne viste 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.
“Som en dryppende kran, bruker katalytiske mikroskiver som flyter ved et væskegrensesnitt en kjemisk reaksjon for å drive den periodiske veksten og frigjøringen av gassbobler. Studien viser hvordan denne oscillerende dynamikken kan utnyttes for mekanisk aktivering og elektrokjemisk signalering som er relevant for mikrorobotikk, sier Kyle Bishop, professor i kjemiteknikk ved Columbia University, som ikke var involvert i studien.
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 svingningen 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.
Forskningen ble delvis finansiert av US Army Research Office, US Department of Energy og National Science Foundation.