【導讀】麻省理工學(xué)院的工程師們利用一種被稱(chēng)為微尺度上的突發(fā)行為的現象，設計了一種簡(jiǎn)單的微粒，可以集體產(chǎn)生復雜的行為，就像一群螞蟻挖地道或收集食物一樣。

麻省理工學(xué)院的工程師們利用一種被稱(chēng)為微尺度上的突發(fā)行為的現象，設計了一種簡(jiǎn)單的微粒，可以集體產(chǎn)生復雜的行為，就像一群螞蟻挖地道或收集食物一樣。

這些微?？梢砸黄甬a(chǎn)生一個(gè)以非常低的頻率振蕩的電流。研究人員表示，這些振蕩可以被用來(lái)驅動(dòng)微型機器人設備。

麻省理工學(xué)院博士、這項新研究的主要作者之一Jingfan Yang說(shuō)：“除了從物理學(xué)的角度來(lái)看很有趣，這種行為還可以轉化為車(chē)載振蕩電信號，這在微型機器人的自主性中非常強大。有很多電氣元件需要這種振蕩輸入?！?nbsp;

用來(lái)制造新振蕩器的粒子進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應，使粒子通過(guò)微小氣泡的形成和破裂相互作用。在正確的條件下，這些相互作用產(chǎn)生了一個(gè)振蕩器，其行為類(lèi)似于滴答作響的時(shí)鐘，以幾秒鐘的間隔跳動(dòng)。

麻省理工學(xué)院Carbon P.Dubbs化學(xué)工程教授Michael Strano說(shuō)：“我們正在努力尋找非常簡(jiǎn)單的規則或特征，你可以將它們編碼成相對簡(jiǎn)單的微型機器人機器，讓它們共同完成非常復雜的任務(wù)?！?。

Strano是這篇新論文的資深作者，該論文發(fā)表在自然通訊托德·默菲教授建議西北大學(xué)的研究生托馬斯·貝魯塔（Thomas Berrueta）和Jingfan Yang一起是這項研究的主要作者。

集體行為。

在自然界中可以看到突現行為的示范，在那里，螞蟻和蜜蜂等昆蟲(chóng)群體完成了群體中單個(gè)成員永遠無(wú)法完成的壯舉。

Strano說(shuō)：“螞蟻的大腦很小，它們能完成非常簡(jiǎn)單的認知任務(wù)，但它們能共同完成驚人的事情，它們可以覓食，建造這些精致的隧道結構?！??！跋裎疫@樣的物理學(xué)家和工程師想要理解這些規則，因為這意味著(zhù)我們可以制造出微小的東西，共同完成復雜的任務(wù)?！?/p>

在這項研究中，研究人員希望設計出能夠以非常低的頻率產(chǎn)生有節奏的運動(dòng)或振蕩的粒子。到目前為止，制造低頻微振蕩器需要昂貴且難以設計的精密電子器件，或具有復雜化學(xué)性質(zhì)的特殊材料。

研究人員為這項研究設計的簡(jiǎn)單粒子是直徑只有100微米的圓盤(pán)。這些圓盤(pán)由一種叫做SU-8的聚合物制成，上面有一個(gè)鉑片，可以催化過(guò)氧化氫分解成水和氧。

當顆粒被放置在一個(gè)平坦表面上的過(guò)氧化氫液滴表面時(shí)，它們往往會(huì )移動(dòng)到液滴的頂部。在這個(gè)液-氣界面上，它們與在那里發(fā)現的任何其他粒子相互作用。每一個(gè)粒子都會(huì )產(chǎn)生自己的小氧氣泡，當兩個(gè)粒子靠得足夠近以至于它們的氣泡相互作用時(shí)，氣泡就會(huì )破裂，推動(dòng)粒子彼此遠離。然后，他們開(kāi)始形成新的泡沫，這個(gè)循環(huán)反復出現。

Jingfan Yang說(shuō)：“一個(gè)粒子本身靜止不動(dòng)，不會(huì )做任何有趣的事情，但通過(guò)團隊合作，他們可以做一些非常令人驚奇和有用的事情，這實(shí)際上是一件很難在微尺度上實(shí)現的事情?！?。。

研究人員發(fā)現，兩個(gè)粒子可以構成一個(gè)非?？煽康恼袷幤?，但是當加入更多的粒子時(shí)，節奏會(huì )被打亂。然而，如果他們加入一個(gè)與其他粒子稍有不同的粒子，這個(gè)粒子可以充當“領(lǐng)導者”，將其他粒子重新組織成有節奏的振蕩器。

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這個(gè)領(lǐng)先粒子的大小與其他粒子相同，但有一個(gè)稍大的鉑片，這使得它能夠產(chǎn)生更大的氧氣泡。這允許該粒子移動(dòng)到組的中心，在那里它協(xié)調所有其他粒子的振蕩。利用這種方法，研究人員發(fā)現他們可以制造出至少包含11個(gè)粒子的振蕩器。

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根據粒子數的不同，這種振蕩器的頻率約為0.1到0.3赫茲，這與控制行走和心臟跳動(dòng)等生物功能的低頻振蕩器的階數相同。。

振蕩電流。

研究人員還表明，他們可以利用這些粒子有節奏的跳動(dòng)來(lái)產(chǎn)生振蕩電流。為此，他們將鉑催化劑換成了由鉑、釕或金制成的燃料電池。粒子的機械振蕩有節奏地改變燃料電池一端到另一端的電阻，從而將燃料電池產(chǎn)生的電壓轉換為振蕩電流。。

Kyle Bishop說(shuō)：“漂浮在液體界面上的催化微盤(pán)就像滴水的水龍頭一樣，利用化學(xué)反應來(lái)驅動(dòng)氣泡的周期性增長(cháng)和釋放。研究表明，如何利用這些振蕩動(dòng)力學(xué)來(lái)實(shí)現與微型機器人相關(guān)的機械驅動(dòng)和電化學(xué)信號傳遞?！?，哥倫比亞大學(xué)化學(xué)工程教授，他沒(méi)有參與這項研究。

產(chǎn)生一個(gè)振蕩電流而不是恒定電流，對于諸如為能夠行走的微型機器人供電的應用可能很有用。麻省理工學(xué)院的研究人員用這種方法證明了他們可以給一個(gè)微執行器供電，這個(gè)微執行器以前被用作康奈爾大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)的小型步行機器人的腿。最初的版本是由一個(gè)激光器驅動(dòng)的，它必須交替指向每一組腿，以手動(dòng)振蕩電流。麻省理工學(xué)院的研究小組表明，他們的粒子產(chǎn)生的車(chē)載振蕩電流可以驅動(dòng)微型機器人腿的循環(huán)驅動(dòng)，利用一根電線(xiàn)將電流從粒子傳遞到執行器。

斯特拉諾說(shuō)：“這表明，這種機械振蕩可以變成一種電振蕩，然后這種電振蕩實(shí)際上可以為機器人的活動(dòng)提供動(dòng)力?！?。

這種系統的一個(gè)可能的應用是控制成群的小型自主機器人，這些機器人可以用作監測水污染的傳感器。

參考鏈接：Tiny particles work together to do big things

（來(lái)源：EDN電子技術(shù)設計，作者：MIT）

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