Elektrische stroom van microdeeltjes

Met behulp van een fenomeen dat bekend staat als micro-emergent gedrag, hebben MIT-ingenieurs elementaire microdeeltjes gecreëerd die gezamenlijk geavanceerde activiteiten kunnen produceren, zoals een mierenkolonie die tunnels bouwt of voedsel zoekt. Wanneer microdeeltjes samenwerken, kunnen ze een klok creëren die met een zeer lage frequentie oscilleert. Onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om deze oscillaties te gebruiken om kleine robotapparaten aan te drijven.

"Dit gedrag kan worden vertaald in een ingebouwd oscillerend elektrisch signaal, dat niet alleen interessant is voor de natuurkunde, maar ook zeer effectief kan zijn in de autonomie van microrobots. Veel elektrische onderdelen hebben dit soort oscillerende input nodig, waaronder Jingfan Yang, een recente MIT-afgestudeerde en een van de hoofdauteurs van het onderzoek", voegt hij eraan toe.

De samenstellende deeltjes van de nieuwe oscillator werken samen met een eenvoudig chemisch mechanisme waardoor ze met elkaar kunnen communiceren door kleine gasbelletjes te vormen en te laten barsten. Deze interacties resulteren, onder de juiste omstandigheden, in een oscillator die met tussenpozen van enkele seconden klopt, net als een klok.

Volgens Michael Strano, hoogleraar Chemical Engineering aan het MIT: "We proberen heel eenvoudige regels of eigenschappen te zoeken die je kunt coderen in relatief eenvoudige microrobotmachines, zodat we ze massaal zeer geavanceerde taken kunnen laten uitvoeren."

Thomas Berrueta, een afgestudeerde student aan de Northwestern University onder leiding van professor Todd Murphey, is een co-auteur van de studie met Yang.

Insectenkolonies zoals mieren en bijen kunnen taken uitvoeren die een enkel lid van de groep nooit zou kunnen voltooien, wat een voorbeeld is van opkomend gedrag.

“Mieren hebben kleine hersenen en voeren extreem basale cognitieve functies uit, maar als ze samenwerken, kunnen ze geweldige dingen doen. Ze kunnen voedsel verzamelen en deze complexe tunnelsystemen maken”, zegt Strano. "Natuurkundigen en ingenieurs zoals ik willen deze regels begrijpen, omdat het betekent dat we kleine wezens kunnen creëren die samenwerken om complexe taken uit te voeren."

In dit project was het doel om deeltjes te creëren die oscillaties of ritmische bewegingen kunnen produceren bij zeer lage frequenties. Tot voor kort vereiste het maken van laagfrequente micro-oscillators dure, complexe elektronica of speciale materialen met complexe chemie.

Voor dit onderzoek maakten de onderzoekers schijven met een diameter van 100 micron als elementaire deeltjes. De platina-patch op op SU-8-polymeer gebaseerde schijven kan de omzetting van waterstofperoxide in water en zuurstof versnellen.

Deeltjes hebben de neiging om naar de bovenkant van een waterstofperoxidedruppel te bewegen wanneer ze op het druppeloppervlak op een plat oppervlak worden geplaatst. Ze interageren met andere deeltjes in contact met vloeistof en lucht. Elk deeltje creëert een kleine zuurstofbel en wanneer de twee deeltjes dicht genoeg bij elkaar komen om te interageren, barsten de belletjes en scheiden de deeltjes. Het proces begint dan opnieuw met de vorming van nieuwe bellen.

Als deeltjes samenwerken, zegt Yang, "kunnen ze iets fantastisch en nuttigs doen, wat eigenlijk moeilijk te bereiken is op microschaal. Een deeltje op zichzelf blijft onbeweeglijk en doet niets fascinerends.

Wetenschappers hebben ontdekt dat twee deeltjes een redelijk betrouwbare oscillator kunnen maken, maar het ritme wordt grillig naarmate er meer deeltjes worden toegevoegd. De toevoeging van één deeltje dat enigszins verschilt van de andere kan echter dienen als een "leider" die andere deeltjes herschikt in een ritmische oscillator.

Dit leiderdeeltje is even groot als de andere deeltjes, maar omdat het een iets groter stuk platina bevat, kan het een grotere zuurstofbel produceren. Hierdoor kan dit deeltje naar het midden van het cluster migreren, waar het de oscillaties van alle andere deeltjes regelt. De onderzoekers ontdekten dat ze met deze methode oscillatoren konden maken met minstens 11 deeltjes.

Deze oscillator heeft een frequentie variërend van 0,1 tot 0,3 hertz, afhankelijk van de hoeveelheid deeltjes; dit is vergelijkbaar met laagfrequente oscillatoren die biologische processen zoals lopen en hartslag regelen.

Oscillerende stroom

De onderzoekers toonden ook aan hoe ze de ritmische beats van deze deeltjes konden gebruiken om een ​​oscillerende elektrische stroom te creëren. Om dit te bereiken, gebruikten ze een platina- en ruthenium- of gouden brandstofcel in plaats van een platinakatalysator. De spanning van de brandstofcel wordt omgezet in een oscillerende stroom door mechanische oscillatie van deeltjes die ritmisch de weerstand van het ene uiteinde van de brandstofcel naar het andere veranderen.

In sommige gevallen, zoals bij het aandrijven van miniatuur looprobots, kan het voordelig zijn om een ​​oscillerende stroom te genereren in plaats van een constante stroom. Deze methode werd door MIT-onderzoekers gebruikt om aan te tonen dat ze een micro-actuator konden aandrijven die diende als de benen van een kleine lopende robot die eerder door onderzoekers van Cornell University was gemaakt. De laserbron van het eerste model vereiste dat de stroom door de mens werd geoscilleerd, afwisselend gericht op elk stel benen. Door een draad te gebruiken om de stroom van de deeltjes naar de actuator over te brengen, hebben MIT-onderzoekers aangetoond dat de ingebouwde oscillerende stroom die door de deeltjes wordt gecreëerd, de cyclische beweging van het microrobotische been kan aandrijven.

Volgens Strano laat hij zien hoe een mechanische oscillatie kan worden omgezet in een elektrische oscillatie, die vervolgens kan worden gebruikt om robottaken aan te drijven.

Het besturen van zwermen kleine autonome robots die kunnen worden gebruikt als sensoren om watervervuiling te monitoren, is een van de mogelijke toepassingen voor dit soort technologie.

Bron: techxplore

📩 13/10/2022 19:56