באמצעות תופעה המכונה התנהגות מיקרו-מתעוררת, מהנדסי MIT יצרו מיקרו-חלקיקים אלמנטריים שיכולים לייצר ביחד פעילויות מתוחכמות, כגון מושבת נמלים בונה מנהרות או לחפש מזון. כאשר מיקרו-חלקיקים משתפים פעולה, הם יכולים ליצור שעון שמתנדנד בתדר נמוך מאוד. חוקרים הוכיחו כי ניתן להשתמש בתנודות אלו כדי להפעיל מכשירים רובוטיים קטנים.
"ניתן לתרגם התנהגות זו לאות חשמלי מתנודד מובנה, אשר מלבד היותו מעניין לפיזיקה, יכול להיות יעיל מאוד באוטונומיה מיקרורובוטית. חלקים חשמליים רבים זקוקים לסוג זה של קלט נדנוד, כולל Jingfan Yang, בוגר לאחרונה MIT ואחד המחברים הראשיים של המחקר", מוסיף.
חלקיקי המרכיבים של המתנד החדש מעורבים במנגנון כימי פשוט המאפשר להם לתקשר זה עם זה על ידי יצירה והתפוצצות של בועות גז זעירות. אינטראקציות אלו, בתנאים הנכונים, גורמות למתנד שפועם במרווחים של כמה שניות, ממש כמו שעון.
לדברי מייקל סטראנו, פרופסור להנדסה כימית ב-MIT, "אנחנו מנסים לחפש חוקים או מאפיינים פשוטים מאוד שתוכלו לקודד למכונות מיקרורובוטיות פשוטות יחסית כדי שנוכל לגרום להם לבצע משימות מתוחכמות מאוד בהמוניהם".
תומס ברואטה, סטודנט לתואר שני באוניברסיטת נורת'ווסטרן בהדרכתו של פרופסור טוד מרפי, הוא שותף למחקר עם יאנג.
מושבות חרקים כמו נמלים ודבורים יכולות לבצע משימות שחבר בודד בקבוצה לעולם לא יוכל להשלים, וזו דוגמה להתנהגות מתהווה.
"לנמלים יש מוח קטן ומבצעות פונקציות קוגניטיביות בסיסיות ביותר, אבל כשהן עובדות יחד הן יכולות לעשות דברים מדהימים. הם יכולים לאסוף מזון וליצור את מערכות המנהרות המורכבות האלה", אומר סטראנו. "פיזיקאים ומהנדסים כמוני רוצים להבין את הכללים האלה כי זה אומר שאנחנו יכולים ליצור יצורים זעירים שפועלים יחד כדי לבצע משימות מורכבות."
בפרויקט זה, המטרה הייתה ליצור חלקיקים שיכולים לייצר תנודות או תנועות קצביות בתדרים נמוכים מאוד. עד לאחרונה, יצירת מיקרו-מתנדים בתדר נמוך דרשה מוצרי אלקטרוניקה יקרים ומורכבים או חומרים מיוחדים עם כימיה מורכבת.
לצורך מחקר זה, החוקרים יצרו דיסקים בקוטר 100 מיקרון כחלקיקים יסודיים. תיקון הפלטינה על דיסקים מבוססי פולימר SU-8 יכול להאיץ את ההמרה של מי חמצן למים וחמצן.
חלקיקים נוטים לנוע לכיוון החלק העליון של טיפת מי חמצן כאשר מניחים אותם על משטח הטיפות על משטח שטוח. הם מקיימים אינטראקציה עם חלקיקים אחרים במגע נוזל-אוויר. כל חלקיק יוצר בועה קטנה של חמצן, וכאשר שני החלקיקים מתקרבים מספיק לאינטראקציה, הבועות מתפוצצות והחלקיקים נפרדים. לאחר מכן התהליך מתחיל מחדש עם היווצרות בועות חדשות.
כאשר חלקיקים עובדים יחד, אומר יאנג, "הם יכולים לעשות משהו די פנטסטי ושימושי, שלמעשה קשה להשיג אותו בקנה מידה מיקרו. חלקיק בפני עצמו נשאר ללא תנועה ולא עושה שום דבר מרתק.
מדענים גילו ששני חלקיקים יכולים ליצור מתנד אמין למדי, אבל הקצב הופך לא יציב ככל שמתווספים עוד חלקיקים. עם זאת, תוספת של חלקיק אחד השונה במקצת מהאחרים יכולה לשמש "מנהיג" שמסדר מחדש חלקיקים אחרים במתנד קצבי.
חלקיק המנהיג הזה זהה לגודל החלקיקים האחרים, אך מכיוון שהוא מכיל חלק גדול יותר של פלטינה, הוא יכול לייצר בועה גדולה יותר של חמצן. זה מאפשר לחלקיק הזה לנדוד למרכז האשכול, שם הוא שולט בתנודות של כל שאר החלקיקים. החוקרים גילו שהם יכולים ליצור מתנדים עם לפחות 11 חלקיקים בשיטה זו.
למתנד זה יש תדר שנע בין 0,1 ל-0,3 הרץ, תלוי בכמות החלקיקים; זה שווה ערך למתנדים בתדר נמוך השולטים בתהליכים ביולוגיים כמו הליכה ודופק.
זרם מתנודד
החוקרים גם הדגימו כיצד הם יכולים להשתמש בפעימות הקצביות של החלקיקים הללו כדי ליצור זרם חשמלי מתנודד. כדי להשיג זאת, הם השתמשו בתא דלק פלטינה ורותניום או זהב במקום זרז פלטינה. המתח של תא הדלק הופך לזרם נדנוד על ידי תנודה מכנית של חלקיקים המשנים באופן קצבי את ההתנגדות מקצה אחד של תא הדלק לקצה השני.
במקרים מסוימים, כגון בעת הפעלת רובוטים הליכה מיניאטוריים, זה יכול להיות יתרון לייצר זרם נדנוד ולא זרם קבוע. שיטה זו שימשה חוקרי MIT כדי להדגים שהם יכולים להפעיל מיקרו-מפעיל הפועל כרגליים של רובוט קטן מהלך שנוצר בעבר על ידי חוקרי אוניברסיטת קורנל. מקור הלייזר של הדגם הראשון דרש תנודה של הזרם על ידי האדם, מכוון לסירוגין לכל סט של רגליים. על ידי שימוש בחוט להעברת הזרם מהחלקיקים אל המפעיל, חוקרי MIT הדגימו כי הזרם המתנודד המובנה שנוצר על ידי החלקיקים שלו יכול להפעיל את התנועה המחזורית של הרגל המיקרורובוטית.
לדברי סטראנו, הוא מדגים כיצד ניתן להפוך תנודה מכנית לתנודה חשמלית, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש בה כדי להפעיל משימות רובוטיות.
שליטה על נחילים של רובוטים אוטונומיים קטנים שיכולים לשמש כחיישנים לניטור זיהום מים היא אחד השימושים הפוטנציאליים לטכנולוגיה מסוג זה.
מקור: techxplore
Günceleme: 13/10/2022 19:56
היה הראשון להגיב