Ηλεκτρικό ρεύμα από μικροσωματίδια

Χρησιμοποιώντας ένα φαινόμενο γνωστό ως μικρο-αναδυόμενη συμπεριφορά, οι μηχανικοί του MIT δημιούργησαν στοιχειώδη μικροσωματίδια που μπορούν συλλογικά να παράγουν περίπλοκες δραστηριότητες, όπως μια αποικία μυρμηγκιών που κατασκευάζουν σήραγγες ή αναζητούν τροφή. Όταν τα μικροσωματίδια συνεργάζονται, μπορούν να δημιουργήσουν ένα ρολόι που ταλαντώνεται σε πολύ χαμηλή συχνότητα. Οι ερευνητές έχουν αποδείξει ότι είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν αυτές οι ταλαντώσεις για την τροφοδοσία μικρών ρομποτικών συσκευών.

«Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να μεταφραστεί σε ένα ενσωματωμένο ταλαντούμενο ηλεκτρικό σήμα, το οποίο, εκτός από ενδιαφέρον για τη φυσική, θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά αποτελεσματικό στη μικρορομποτική αυτονομία. Πολλά ηλεκτρικά μέρη χρειάζονται αυτού του είδους την ταλαντευόμενη είσοδο, συμπεριλαμβανομένου του Jingfan Yang, ενός πρόσφατου πτυχιούχου MIT και ενός από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης», προσθέτει.

Τα συστατικά σωματίδια του νέου ταλαντωτή εμπλέκονται σε έναν απλό χημικό μηχανισμό που τους επιτρέπει να επικοινωνούν μεταξύ τους σχηματίζοντας και σκάζοντας μικροσκοπικές φυσαλίδες αερίου. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις, κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, καταλήγουν σε έναν ταλαντωτή που χτυπά σε διαστήματα λίγων δευτερολέπτων, όπως ακριβώς ένα ρολόι.

Σύμφωνα με τον Michael Strano, καθηγητή Χημικής Μηχανικής στο MIT, «Προσπαθούμε να αναζητήσουμε πολύ απλούς κανόνες ή ιδιότητες που μπορείτε να κωδικοποιήσετε σε σχετικά απλές μικρορομποτικές μηχανές, ώστε να μπορούμε να τις κάνουμε να εκτελούν μαζικά εξαιρετικά εξελιγμένες εργασίες».

Ο Thomas Berrueta, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Northwestern University υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Todd Murphey, είναι συν-συγγραφέας της μελέτης με τον Yang.

Οι αποικίες εντόμων όπως τα μυρμήγκια και οι μέλισσες μπορούν να εκτελέσουν εργασίες που ένα μόνο μέλος της ομάδας δεν θα μπορούσε ποτέ να ολοκληρώσει, κάτι που αποτελεί παράδειγμα αναδυόμενης συμπεριφοράς.

«Τα μυρμήγκια έχουν μικρό εγκέφαλο και εκτελούν εξαιρετικά βασικές γνωστικές λειτουργίες, αλλά όταν συνεργάζονται μπορούν να κάνουν καταπληκτικά πράγματα. Μπορούν να συγκεντρώσουν τρόφιμα και να δημιουργήσουν αυτά τα πολύπλοκα συστήματα σήραγγας», λέει ο Strano. «Οι φυσικοί και οι μηχανικοί σαν εμένα θέλουν να κατανοήσουν αυτούς τους κανόνες γιατί σημαίνει ότι μπορούμε να δημιουργήσουμε μικροσκοπικά όντα που συνεργάζονται για να επιτύχουν πολύπλοκα καθήκοντα».

Σε αυτό το έργο, ο στόχος ήταν να δημιουργηθούν σωματίδια που θα μπορούσαν να παράγουν ταλαντώσεις ή ρυθμικές κινήσεις σε πολύ χαμηλές συχνότητες. Μέχρι πρόσφατα, η δημιουργία μικροταλαντωτών χαμηλής συχνότητας απαιτούσε ακριβά, πολύπλοκα ηλεκτρονικά ή ειδικά υλικά με πολύπλοκη χημεία.

Για τη μελέτη αυτή, οι ερευνητές δημιούργησαν δίσκους διαμέτρου 100 μικρών ως στοιχειώδη σωματίδια. Το επίθεμα πλατίνας σε δίσκους με βάση το πολυμερές SU-8 μπορεί να επιταχύνει τη μετατροπή του υπεροξειδίου του υδρογόνου σε νερό και οξυγόνο.

Τα σωματίδια τείνουν να κινούνται προς την κορυφή μιας σταγόνας υπεροξειδίου του υδρογόνου όταν τοποθετούνται στην επιφάνεια των σταγονιδίων σε μια επίπεδη επιφάνεια. Αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια σε επαφή υγρού-αέρα. Κάθε σωματίδιο δημιουργεί μια μικρή φυσαλίδα οξυγόνου και όταν τα δύο σωματίδια πλησιάζουν αρκετά ώστε να αλληλεπιδράσουν, οι φυσαλίδες σκάνε και τα σωματίδια διαχωρίζονται. Στη συνέχεια, η διαδικασία ξεκινά ξανά με το σχηματισμό νέων φυσαλίδων.

Όταν τα σωματίδια συνεργάζονται, λέει ο Yang, «μπορούν να κάνουν κάτι πολύ φανταστικό και χρήσιμο, το οποίο είναι πραγματικά δύσκολο να επιτευχθεί σε μικροκλίμακα. Ένα σωματίδιο από μόνο του παραμένει ακίνητο και δεν κάνει τίποτα συναρπαστικό.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι δύο σωματίδια μπορούν να δημιουργήσουν έναν αρκετά αξιόπιστο ταλαντωτή, αλλά ο ρυθμός γίνεται ασταθής καθώς προστίθενται περισσότερα σωματίδια. Ωστόσο, η προσθήκη ενός σωματιδίου που είναι ελαφρώς διαφορετικό από τα άλλα μπορεί να χρησιμεύσει ως «ηγέτης» που αναδιατάσσει άλλα σωματίδια σε έναν ρυθμικό ταλαντωτή.

Αυτό το σωματίδιο οδηγό έχει το ίδιο μέγεθος με τα άλλα σωματίδια, αλλά επειδή περιέχει ένα ελαφρώς μεγαλύτερο κομμάτι πλατίνας, μπορεί να παράγει μια μεγαλύτερη φυσαλίδα οξυγόνου. Αυτό επιτρέπει σε αυτό το σωματίδιο να μεταναστεύσει στο κέντρο του σμήνους, όπου ελέγχει τις ταλαντώσεις όλων των άλλων σωματιδίων. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μπορούσαν να δημιουργήσουν ταλαντωτές με τουλάχιστον 11 σωματίδια χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο.

Αυτός ο ταλαντωτής έχει συχνότητα που κυμαίνεται από 0,1 έως 0,3 hertz, ανάλογα με την ποσότητα των σωματιδίων. Αυτό είναι στο ίδιο επίπεδο με τους ταλαντωτές χαμηλής συχνότητας που ελέγχουν βιολογικές διεργασίες όπως το περπάτημα και ο καρδιακός παλμός.

Ταλαντούμενο Ρεύμα

Οι ερευνητές απέδειξαν επίσης πώς θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τους ρυθμικούς παλμούς αυτών των σωματιδίων για να δημιουργήσουν ένα ταλαντούμενο ηλεκτρικό ρεύμα. Για να το πετύχουν αυτό, χρησιμοποίησαν κυψέλη καυσίμου από πλατίνα και ρουθήνιο ή χρυσό αντί για καταλύτη πλατίνας. Η τάση της κυψέλης καυσίμου μετατρέπεται σε ταλαντούμενο ρεύμα με μηχανική ταλάντωση σωματιδίων που αλλάζουν ρυθμικά την αντίσταση από τη μια άκρη της κυψέλης καυσίμου στην άλλη.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως όταν τροφοδοτούνται μικροσκοπικά ρομπότ περπατήματος, μπορεί να είναι πλεονεκτικό να δημιουργείται ένα ταλαντευόμενο ρεύμα αντί για ένα σταθερό ρεύμα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε από ερευνητές του MIT για να αποδείξουν ότι μπορούσαν να τροφοδοτήσουν έναν μικροενεργοποιητή που χρησίμευε ως πόδια ενός μικρού ρομπότ που περπατούσε που είχε προηγουμένως δημιουργηθεί από ερευνητές του Πανεπιστημίου Cornell. Η πηγή λέιζερ του πρώτου μοντέλου απαιτούσε το ρεύμα να ταλαντώνεται από τον άνθρωπο, εναλλάξ με στόχο κάθε σετ ποδιών. Χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο για τη μετάδοση του ρεύματος από τα σωματίδια στον ενεργοποιητή, οι ερευνητές του MIT απέδειξαν ότι το ενσωματωμένο ταλαντευόμενο ρεύμα που δημιουργείται από τα σωματίδια του θα μπορούσε να τροφοδοτήσει την κυκλική κίνηση του μικρορομποτικού σκέλους.

Σύμφωνα με τον Strano, δείχνει πώς μια μηχανική ταλάντωση μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ταλάντωση, η οποία μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία ρομποτικών εργασιών.

Ο έλεγχος σμήνους μικρών αυτόνομων ρομπότ που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες για την παρακολούθηση της ρύπανσης του νερού είναι μία από τις πιθανές χρήσεις αυτού του τύπου τεχνολογίας.

Πηγή: techxplore

📩 13/10/2022 19:56