Arus Elektrik daripada Mikropartikel

Menggunakan fenomena yang dikenali sebagai gelagat muncul mikro, jurutera MIT telah mencipta zarah mikro asas yang secara kolektif boleh menghasilkan aktiviti yang canggih, seperti koloni semut membina terowong atau mencari makanan. Apabila mikrozarah bekerjasama, mereka boleh mencipta jam yang berayun pada frekuensi yang sangat rendah. Penyelidik telah menunjukkan bahawa adalah mungkin untuk menggunakan ayunan ini untuk menggerakkan peranti robotik kecil.

"Tingkah laku ini boleh diterjemahkan ke dalam isyarat elektrik berayun terbina dalam, yang, selain menarik minat fizik, boleh menjadi sangat berkesan dalam autonomi mikrorobotik. Banyak bahagian elektrik memerlukan input berayun seperti ini, termasuk Jingfan Yang, graduan MIT baru-baru ini dan salah seorang pengarang utama kajian itu," tambahnya.

Zarah komponen pengayun baharu terlibat dalam mekanisme kimia mudah yang membolehkan mereka berkomunikasi antara satu sama lain dengan membentuk dan meletupkan gelembung gas kecil. Interaksi ini, di bawah keadaan yang betul, menghasilkan pengayun yang berdegup pada selang beberapa saat, sama seperti jam.

Menurut Michael Strano, Profesor Kejuruteraan Kimia di MIT, "Kami cuba mencari peraturan atau sifat yang sangat mudah yang anda boleh kodkan ke dalam mesin mikrorobotik yang agak mudah supaya kami boleh meminta mereka melaksanakan tugas yang sangat canggih secara beramai-ramai."

Thomas Berrueta, seorang pelajar siswazah di Northwestern University di bawah bimbingan Profesor Todd Murphey, adalah pengarang bersama kajian dengan Yang.

Koloni serangga seperti semut dan lebah boleh melakukan tugas yang tidak dapat diselesaikan oleh seorang ahli kumpulan, yang merupakan contoh tingkah laku yang timbul.

"Semut mempunyai otak kecil dan melakukan fungsi kognitif yang sangat asas, tetapi apabila mereka bekerjasama, mereka boleh melakukan perkara yang menakjubkan. Mereka boleh mengumpul makanan dan mencipta sistem terowong yang kompleks ini, "kata Strano. "Ahli fizik dan jurutera seperti saya ingin memahami peraturan ini kerana ini bermakna kita boleh mencipta makhluk kecil yang bekerjasama untuk menyelesaikan tugas yang rumit."

Dalam projek ini, matlamatnya adalah untuk mencipta zarah yang boleh menghasilkan ayunan atau pergerakan berirama pada frekuensi yang sangat rendah. Sehingga baru-baru ini, mencipta pengayun mikro frekuensi rendah memerlukan elektronik yang mahal, kompleks atau bahan khas dengan kimia yang kompleks.

Untuk kajian ini, para penyelidik mencipta cakera berdiameter 100 mikron sebagai zarah asas. Tampalan platinum pada cakera berasaskan polimer SU-8 boleh mempercepatkan penukaran hidrogen peroksida kepada air dan oksigen.

Zarah cenderung bergerak ke arah atas titisan hidrogen peroksida apabila diletakkan pada permukaan titisan pada permukaan rata. Mereka berinteraksi dengan zarah lain dalam sentuhan cecair-udara. Setiap zarah mencipta gelembung kecil oksigen, dan apabila kedua-dua zarah cukup dekat untuk berinteraksi, gelembung pecah dan zarah terpisah. Proses itu kemudian dimulakan semula dengan pembentukan gelembung baru.

Apabila zarah bekerja bersama, Yang berkata, "mereka boleh melakukan sesuatu yang sangat hebat dan berguna, yang sebenarnya sukar dicapai pada skala mikro. Zarah dengan sendirinya kekal tidak bergerak dan tidak melakukan apa-apa yang menarik.

Para saintis telah menemui bahawa dua zarah boleh membuat pengayun yang agak boleh dipercayai, tetapi irama menjadi tidak menentu apabila lebih banyak zarah ditambah. Walau bagaimanapun, penambahan satu zarah yang berbeza sedikit daripada yang lain boleh berfungsi sebagai "pemimpin" yang menyusun semula zarah lain dalam pengayun berirama.

Zarah pemimpin ini adalah saiz yang sama dengan zarah lain, tetapi kerana ia mengandungi tampalan platinum yang lebih besar sedikit, ia boleh menghasilkan gelembung oksigen yang lebih besar. Ini membolehkan zarah ini berhijrah ke pusat gugusan, di mana ia mengawal ayunan semua zarah lain. Para penyelidik mendapati bahawa mereka boleh mencipta pengayun dengan sekurang-kurangnya 11 zarah menggunakan kaedah ini.

Pengayun ini mempunyai frekuensi antara 0,1 hingga 0,3 hertz, bergantung kepada jumlah zarah; ini adalah setanding dengan pengayun frekuensi rendah yang mengawal proses biologi seperti berjalan dan degupan jantung.

Arus Berayun

Para penyelidik juga menunjukkan bagaimana mereka boleh menggunakan rentak berirama zarah ini untuk mencipta arus elektrik berayun. Untuk mencapai matlamat ini, mereka menggunakan platinum dan ruthenium atau sel bahan api emas dan bukannya pemangkin platinum. Voltan sel bahan api ditukar kepada arus berayun oleh ayunan mekanikal zarah yang mengubah rintangan secara berirama dari satu hujung sel bahan api ke hujung yang lain.

Dalam sesetengah kes, seperti apabila menjanakan robot berjalan kecil, ia boleh berfaedah untuk menjana arus berayun dan bukannya arus malar. Kaedah ini digunakan oleh penyelidik MIT untuk menunjukkan bahawa mereka boleh menggerakkan penggerak mikro yang berfungsi sebagai kaki robot berjalan kecil yang sebelum ini dicipta oleh penyelidik Universiti Cornell. Sumber laser model pertama memerlukan arus untuk diayunkan oleh manusia, secara bergilir-gilir ditujukan pada setiap set kaki. Dengan menggunakan wayar untuk menghantar arus daripada zarah ke penggerak, penyelidik MIT menunjukkan bahawa arus berayun terbina dalam yang dicipta oleh zarahnya boleh menggerakkan gerakan kitaran kaki mikrorobotik.

Menurut Strano, dia menunjukkan bagaimana ayunan mekanikal boleh diubah menjadi ayunan elektrik, yang kemudiannya boleh digunakan untuk menggerakkan tugas robotik.

Mengawal kawanan robot autonomi kecil yang boleh digunakan sebagai penderia untuk memantau pencemaran air adalah salah satu potensi penggunaan untuk jenis teknologi ini.

Sumber: techxplore

Günceleme: 13/10/2022 19:56