Wykorzystując zjawisko znane jako zachowanie emergentne w mikroskali, inżynierowie MIT zaprojektowani proste mikrocząsteczki, które mogą generować złożone zachowania, podobnie jak kolonia mrówek czy innych owadów społecznych. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Oprócz tego, że zachowanie to jest interesujące z punktu widzenia fizyki, można je również przełożyć na pokładowy oscylacyjny sygnał elektryczny, który może być bardzo potężny w autonomii mikrorobotów. Istnieje wiele komponentów elektrycznych, które wymagają takiego oscylacyjnego wejścia.Jingfan Yang, doktorant MIT i jeden z autorów badania
“Bijące” cząstki
Cząstki przeprowadzają prostą reakcję chemiczną, która pozwala oddziaływać ze sobą poprzez tworzenie i pękanie maleńkich pęcherzyków gazu. W odpowiednich warunkach, interakcje te tworzą oscylator, który zachowuje się podobnie do tykającego zegara, bijącego w odstępach kilku sekund.
Staramy się szukać bardzo prostych zasad lub cech, które można zakodować w stosunkowo prostych mikrorobotach, aby mogły one wspólnie wykonywać bardzo wyrafinowane zadania.prof. Michael Strano z MIT
Demonstracje zachowań emergentnych można zaobserwować w całym świecie przyrody, gdzie kolonie owadów, takich jak mrówki i pszczoły dokonują wyczynów, których pojedynczy członek grupy nigdy nie byłby w stanie osiągnąć.
Mrówki mają maleńkie mózgi i wykonują bardzo proste zadania poznawcze, ale zbiorowo mogą robić niesamowite rzeczy. Mogą szukać pożywienia i budować te skomplikowane struktury tuneli. Fizycy i inżynierowie tacy jak ja chcą zrozumieć te zasady, ponieważ oznacza to, że możemy stworzyć maleńkie rzeczy, które zbiorowo wykonują złożone zadania.prof. Michael Strano
Naukowcy MIT zaprojektowali cząsteczki, które mogą generować rytmiczne ruchy (oscylacje) o bardzo niskiej częstotliwości. Do tej pory budowa mikrooscylatorów wymagała angażu skomplikowanej elektroniki, która jest droga i trudna do zaprojektowania lub wymaga specjalistycznych materiałów.
Proste cząstki, które zaprojektowano na potrzeby tego badania, to dyski o średnicy zaledwie 100 mikronów wykonane z polimeru o nazwie SU-8. Mają platynowy plaster, który może katalizować rozkład nadtlenku wodoru na wodę i tlen. Kiedy cząsteczki są umieszczone na kropli nadtlenku wodoru na płaskiej powierzchni, mają tendencję do przemieszczania się do górnej części kropli. Na tym styku ciecz-powietrze oddziałują z innymi znajdującymi się tam cząstkami.
Jedna cząstka sama pozostaje nieruchoma i nie robi nic ciekawego, ale dzięki pracy zespołowej mogą zrobić coś całkiem niesamowitego i użytecznego, co w zasadzie jest trudne do osiągnięcia w mikroskali.Jingfan Yang
Dwie cząstki mogą stworzyć niezawodny oscylator, ale gdy dodawano kolejne cząstki, rytm stawał się zaburzony. Jeśli jednak dodali jedną cząstkę, która różniła się nieco od pozostałych, mogła działać jako “lider”, który reorganizował pozostałe cząstki z powrotem w rytmiczny oscylator.
Czytaj też: Cząstki same się organizują. Do przełomu wystarczyło naśladowanie natury
Ta wiodąca cząstka jest tej samej wielkości co inne cząstki, ale ma nieco większą platynową łatkę, co pozwala jej stworzyć większą bańkę tlenową. Dzięki temu cząstka ta może przemieszczać się do centrum grupy, gdzie koordynuje oscylacje wszystkich pozostałych cząstek. Stosując to podejście, badacze stwierdzili, że mogą stworzyć oscylatory zawierające do co najmniej 11 cząstek. W zależności od liczby cząstek, taki oscylator bije z częstotliwością ok. 0,1-0,3 Hz, co jest rzędu oscylatorów o niskiej częstotliwości, które rządzą funkcjami biologicznymi, takimi jak chodzenie i bicie serca.
Wykazano również, że można wykorzystać rytmiczne bicie tych cząstek do generowania oscylującego prądu elektrycznego. W tym celu zamienili katalizator platynowy na ogniwo paliwowe wykonane z platyny i rutenu lub złota. Mechaniczna oscylacja cząsteczek rytmicznie zmienia opór z jednego końca ogniwa paliwowego na drugi, co przekształca napięcie generowane przez ogniwo paliwowe w oscylujący prąd.