Nature子刊：简单的微粒可以有节奏地拍打在一起，产生振荡电流

长三角G60激光联盟导读

麻省理工学院的工程师利用一种称为微尺度涌现行为的现象，设计了简单的微粒，可以共同产生复杂的行为，就像一群蚂蚁可以挖掘隧道或收集食物一样。

来源：CC0 Public Domain

这些微粒协同工作，可以产生一个以极低频率振荡的跳动时钟。研究人员表示，这些振荡可以被用来驱动微型机器人设备。

“除了从物理学角度来看很有趣之外，这种行为还可以转化为板载振荡电信号，这在微机器人自主性方面非常强大。有很多电子元件需要这样的振荡输入。”麻省理工学院最近的博士生、这项新研究的主要作者之一Jingfan Yang说道。

用于制造新型振荡器的粒子执行简单的化学反应，使粒子通过形成和破裂微小气泡相互作用。在适当的条件下，这些相互作用产生一个振荡器，其行为类似于滴答的时钟，每隔几秒钟跳动一次。

化学机械微粒自振荡的出现。

麻省理工学院Carbon P.Dubbs化学工程教授Michael Strano表示：“我们正在寻找非常简单的规则或特性，你可以将它们编码成相对简单的微型机器人，让它们共同完成非常复杂的任务。”

本文的主要作者是来自于西北大学的研究生Thomas Berrueta、Yang，导师是托德·墨菲(Todd murphy)教授。Strano是这篇论文的资深作者。本文发表在《Nature Communications》上。

集体行为

在自然界中可以看到涌现行为的展示，在那里，蚂蚁和蜜蜂等昆虫群体完成了群体中单个成员永远无法完成的壮举。

Strano说：“蚂蚁的大脑很小，它们能完成非常简单的认知任务，但总的来说，它们能做令人惊叹的事情。它们能觅食并建造这些精致的隧道结构。像我这样的物理学家和工程师想要理解这些规则，因为这意味着我们可以制造微小的东西，共同完成复杂的任务。”

在这项研究中，研究人员希望设计出能够以非常低的频率产生节奏运动或振荡的粒子。到目前为止，制造低频微振荡器需要昂贵且难以设计的复杂电子器件，或者需要具有复杂化学性质的特殊材料。

指定的领导者会引发周期性的极限循环。

研究人员为这项研究设计的简单粒子是直径为100微米的光盘。这种光盘由一种叫做SU-8的聚合物制成，有一个铂片可以催化过氧化氢分解成水和氧。

当这些颗粒被放置在平面上过氧化氢液滴的表面时，它们往往会移动到液滴的顶部。在这个液-气界面上，它们与在那里发现的任何其他粒子相互作用。每一个粒子都会产生自己的微小氧气气泡，当两个粒子距离足够近，气泡相互作用时，气泡就会破裂，从而使粒子相互远离。然后，它们开始形成新的泡沫，循环不断重复。

研究人员发现，两个粒子可以构成一个非常可靠的振荡器，但随着更多粒子的加入，节奏会被打破。然而，如果他们加入一个与其他粒子略有不同的粒子，该粒子可以充当“领导者”，将其他粒子重新组织成一个有节奏的振荡器。

自组织振荡为微型机器人手臂提供动力。

这种领先粒子与其他粒子大小相同，但有一个稍大的铂片，这使它能够产生更大的氧气泡。这允许该粒子移动到组的中心，在这里它协调所有其他粒子的振荡。使用这种方法，研究人员发现他们可以创造出至少含有11个粒子的振荡器。

根据粒子的数量，该振荡器的频率约为0.1至0.3赫兹，与控制生物功能（如行走和心脏跳动）的低频振荡器的频率相同。

振荡电流

研究人员还表明，他们可以利用这些粒子有节奏的跳动来产生振荡电流。为此，他们将铂催化剂换成了由铂、钌或金制成的燃料电池。颗粒的机械振荡有节奏地改变燃料电池一端到另一端的电阻，从而将燃料电池产生的电压转换为振荡电流。

通过对称破缺观察突现顺序。

产生振荡电流而不是恒定电流对于诸如为能行走的微型机器人供电等应用可能很有用。麻省理工学院的研究人员利用这种方法证明，他们可以为微执行器提供动力，而微执行器以前是康奈尔大学研究人员开发的一种小型步行机器人的腿。最初的版本是由激光驱动的，激光必须交替指向每一组支腿，以手动振荡电流。麻省理工学院的研究小组表明，由粒子产生的板载振荡电流可以驱动微型机器人腿的循环驱动，使用导线将电流从粒子传输到致动器。

Strano说：“这表明，这种机械振荡可以变成电振荡，然后电振荡实际上可以为机器人的活动提供动力。”这种系统的一个可能应用是控制成群的微型自主机器人，这些机器人可以用作监测水污染的传感器。

来源：Emergent microrobotic oscillators via asymmetry-induced order, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33396-5

长三角G60激光联盟陈长军转载