Elektrivool mikroosakestest

Kasutades ära nähtust, mida tuntakse kui mikrokerkivat käitumist, on MIT-i insenerid loonud elementaarsed mikroosakesed, mis võivad ühiselt toota keerukaid tegevusi, nagu näiteks sipelgakolooniad tunnelite ehitamiseks või toidu otsimiseks. Kui mikroosakesed teevad koostööd, võivad nad luua kella, mis võngub väga madala sagedusega. Teadlased on näidanud, et neid võnkumisi on võimalik kasutada väikeste robotseadmete toiteks.

"Seda käitumist saab tõlkida sisseehitatud võnkuvaks elektrisignaaliks, mis lisaks füüsikale huvipakkumisele võib olla mikrorobootilise autonoomia seisukohalt väga tõhus. Paljud elektrilised osad vajavad sellist võnkuvat sisendit, sealhulgas Jingfan Yang, hiljuti MIT-i lõpetanud ja üks uuringu peamisi autoreid, " lisab.

Uue ostsillaatori osakesed osalevad lihtsas keemilises mehhanismis, mis võimaldab neil omavahel suhelda, moodustades ja lõhkedes pisikesi gaasimulle. Nende interaktsioonide tulemuseks on õigetes tingimustes ostsillaator, mis lööb mõnesekundiliste intervallidega täpselt nagu kell.

MIT-i keemiatehnika professori Michael Strano sõnul "Püüame otsida väga lihtsaid reegleid või omadusi, mida saate suhteliselt lihtsatesse mikrorobootilistesse masinatesse kodeerida, et saaksime need ühiselt täita väga keerukaid ülesandeid."

Thomas Berrueta, Northwesterni ülikooli magistrant professor Todd Murphey juhendamisel, on uuringu kaasautor koos Yangiga.

Putukate kolooniad, nagu sipelgad ja mesilased, võivad täita ülesandeid, mida üks rühmaliige ei saaks kunagi täita, mis on esilekerkiva käitumise näide.

"Sipelgatel on väike aju ja nad täidavad väga elementaarseid kognitiivseid funktsioone, kuid koos töötades suudavad nad teha hämmastavaid asju. Nad saavad toitu koguda ja neid keerulisi tunnelisüsteeme luua, ”ütleb Strano. "Minusugused füüsikud ja insenerid tahavad neid reegleid mõista, sest see tähendab, et saame luua pisikesi olendeid, kes töötavad koos keerukate ülesannete täitmiseks."

Selle projekti eesmärk oli luua osakesi, mis suudaksid tekitada võnkumisi või rütmilisi liikumisi väga madalatel sagedustel. Kuni viimase ajani vajas madalsageduslike mikroostsillaatorite loomine kallist keerukat elektroonikat või keeruka keemiaga spetsiaalseid materjale.

Selle uuringu jaoks lõid teadlased elementaarosakestena kettad läbimõõduga 100 mikronit. Plaatinaplaaster SU-8 polümeeripõhistel ketastel võib kiirendada vesinikperoksiidi muundumist veeks ja hapnikuks.

Osakesed kipuvad liikuma vesinikperoksiidi tilga ülaosa suunas, kui need asetatakse tilga pinnale tasasel pinnal. Nad interakteeruvad teiste vedeliku-õhu kontaktis olevate osakestega. Iga osake loob väikese hapnikumulli ja kui need kaks osakest omavahel suhtlemiseks piisavalt lähedale jõuavad, lõhkevad mullid ja osakesed eralduvad. Seejärel algab protsess uuesti uute mullide moodustumisega.

Kui osakesed töötavad koos, ütleb Yang: "nad saavad teha midagi üsna fantastilist ja kasulikku, mida on mikroskaalal tegelikult raske saavutada. Omaette osake jääb liikumatuks ega tee midagi põnevat.

Teadlased avastasid, et kaks osakest võivad moodustada üsna usaldusväärse ostsillaatori, kuid osakeste lisamisel muutub rütm ebaühtlaseks. Kuid ühe teistest pisut erineva osakese lisamine võib toimida "juhina", mis muudab rütmiostsillaatoris teisi osakesi ümber.

See liiderosake on sama suur kui teised osakesed, kuid kuna see sisaldab veidi suuremat plaatinalaiku, võib see tekitada suurema hapnikumulli. See võimaldab sellel osakesel migreeruda klastri keskmesse, kus see kontrollib kõigi teiste osakeste võnkumisi. Teadlased avastasid, et selle meetodi abil saavad nad luua ostsillaatoreid, milles on vähemalt 11 osakest.

Selle ostsillaatori sagedus jääb vahemikku 0,1–0,3 hertsi, olenevalt osakeste hulgast; see on samaväärne madala sagedusega ostsillaatoritega, mis kontrollivad selliseid bioloogilisi protsesse nagu kõndimine ja südamelööke.

Võnkuv vool

Teadlased näitasid ka, kuidas nad saaksid kasutada nende osakeste rütmilisi lööke võnkuva elektrivoolu tekitamiseks. Selle saavutamiseks kasutasid nad plaatina katalüsaatori asemel plaatina ja ruteeniumi või kullast kütuseelementi. Kütuseelemendi pinge muudetakse võnkevooluks osakeste mehaanilisel võnkumisel, mis muudavad rütmiliselt takistust kütuseelemendi ühest otsast teise.

Mõnel juhul, näiteks miniatuursete kõnnirobotite toitel, võib olla kasulik genereerida pigem võnkuvat voolu kui konstantset voolu. Seda meetodit kasutasid MIT-i teadlased, et näidata, et nad suudavad toita mikroajamit, mis toimis Cornelli ülikooli teadlaste varem loodud väikese kõndimisroboti jalgadena. Esimese mudeli laserallikas eeldas, et inimene võnks voolu, mis oli suunatud vaheldumisi igale jalgade komplektile. Kasutades traati, et edastada vool osakestest ajamisse, näitasid MIT-i teadlased, et selle osakeste tekitatud sisseehitatud võnkuv vool võib käivitada mikrorobootilise jala tsüklilise liikumise.

Strano sõnul demonstreerib ta, kuidas mehaaniline võnkumine saab muuta elektriliseks võnkumiseks, mida saab seejärel kasutada robotite ülesannete täitmiseks.

Väikeste autonoomsete robotite sülemide juhtimine, mida saaks kasutada veereostuse jälgimiseks anduritena, on seda tüüpi tehnoloogia üks võimalikke kasutusviise.

Allikas: techxplore

Günceleme: 13/10/2022 19:56