麻省理工学院的工程师设计了简单的微粒，可以共同产生复杂的行为，例如产生振荡电流，可用于为微型机器人设备供电。这是一个抽象艺术家的概念，而不是微粒的实际视频。
简单的微粒可以有节奏地跳动在一起，产生振荡电流，可用于为微型机器人设备供电。
麻省理工学院的工程师正在利用一种称为微尺度上的紧急行为的现象。他们设计了简单的微粒，可以共同产生复杂的行为，就像一群蚂蚁可以一起工作挖掘隧道或收集食物一样。
微粒一起工作，可以产生一个以非常低的频率振荡的跳动时钟。研究人员展示了如何利用这些振荡为微型机器人设备提供动力。
“除了从物理学的角度来看很有趣之外，这种行为还可以转化为板载振荡电信号，这在微机器人自主性方面可能非常强大。有很多电气元件需要这样的振荡输入，“杨景凡说。他是这项新研究的主要作者之一，也是最近的麻省理工学院博士学位获得者。
用于创建新振荡器的粒子执行简单的化学反应，该振荡器允许粒子通过微小气泡的形成和破裂相互相互作用。在适当的条件下，这些相互作用形成一个振荡器，其行为类似于滴答作响的时钟，以几秒钟的间隔跳动。
“我们正试图寻找非常简单的规则或特征，你可以将其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，”Michael Strano说。他是该论文的资深作者，也是麻省理工学院化学工程学教授。
与杨一样，由托德·墨菲教授建议的西北大学研究生托马斯·贝鲁埃塔（Thomas Berrueta）是该研究的主要作者，该研究将于今天（2022年10月13日）发表在《自然通讯》杂志上。
集体行为在整个自然界中都可以看到紧急行为的展示，在那里，蚂蚁和蜜蜂等昆虫的殖民地完成了该群体中单个成员永远无法实现的壮举。
“蚂蚁的大脑很小，它们做着非常简单的认知任务，但总的来说，它们可以做一些了不起的事情。他们可以觅食并建造这些精心设计的隧道结构，“斯特拉诺说。“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共同完成复杂任务的小东西。
在这项研究中，研究人员希望设计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，构建低频微振荡器需要昂贵且难以设计的复杂电子设备，或者具有复杂化学性质的专用材料。
研究人员为这项研究设计的简单颗粒是直径小至100微米的圆盘。这些圆盘由一种名为SU-8的聚合物制成，具有铂贴片，可以催化过氧化氢分解成水和氧气。
当颗粒放置在平坦表面上的过氧化氢液滴表面时，它们倾向于行进到液滴的顶部。在这个液空界面上，它们与那里发现的任何其他颗粒相互作用。每个粒子都会产生自己的微小氧气气泡，当两个粒子足够接近它们的气泡相互作用时，气泡就会爆裂，推动粒子彼此远离。然后，他们开始形成新的气泡，循环一遍又一遍地重复。
“一个粒子本身保持静止，不会做任何有趣的事情，但是通过团队合作，他们可以做一些非常惊人和有用的事情，这实际上是在微观尺度上很难实现的事情，”杨说。
研究人员发现，两个粒子可以形成一个非常可靠的振荡器，但随着更多粒子的添加，节奏会被甩掉。然而，如果他们添加一个与其他粒子略有不同的粒子，该粒子可以充当“领导者”，将其他粒子重组回有节奏的振荡器。
这种引线颗粒与其他颗粒的大小相同，但具有稍大的铂斑块，这使其能够产生更大的氧气气泡。这允许这个粒子移动到群的中心，在那里它协调所有其他粒子的振荡。使用这种方法，研究人员发现他们可以创建包含至少11个粒子的振荡器。
根据粒子的数量，该振荡器以约0.1至0.3赫兹的频率跳动，这是控制生物功能（如行走和心脏跳动）的低频振荡器的数量级。
振荡电流工程师们还证明，他们可以使用这些粒子的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和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。
产生振荡电流而不是恒定电流对于为可以行走的微型机器人供电等应用非常有用。麻省理工学院的科学家们使用这种方法来证明他们可以为微致动器提供动力，该微致动器以前被用作康奈尔大学研究人员开发的微型步行机器人的腿。原始版本由激光器供电，该激光必须交替指向每组支腿，以手动振荡电流。麻省理工学院的团队表明，由其颗粒产生的板载振荡电流可以驱动微机器人支腿的循环驱动，使用导线将电流从颗粒传递到致动器。
“这表明这种机械振荡可以成为电振荡，然后电振荡实际上可以为机器人会做的活动提供动力，”Strano说。
这种系统的一个可能应用是控制成群的微型自主机器人，这些机器人可以用作监测水污染的传感器。
