Corrente elettrica da microparticelle

Sfruttando un fenomeno noto come comportamento micro-emergente, gli ingegneri del MIT hanno creato microparticelle elementari che possono produrre collettivamente attività sofisticate, come una colonia di formiche che costruisce tunnel o cerca cibo. Quando le microparticelle cooperano, possono creare un orologio che oscilla a una frequenza molto bassa. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile utilizzare queste oscillazioni per alimentare piccoli dispositivi robotici.

“Questo comportamento può essere tradotto in un segnale elettrico oscillante incorporato, che, oltre ad essere di interesse per la fisica, potrebbe essere molto efficace nell'autonomia microrobotica. Molte parti elettriche necessitano di questo tipo di input oscillante, incluso Jingfan Yang, un neolaureato del MIT e uno dei principali autori dello studio", aggiunge.

Le particelle componenti il ​​nuovo oscillatore si impegnano in un semplice meccanismo chimico che consente loro di comunicare tra loro formando e facendo scoppiare minuscole bolle di gas. Queste interazioni, nelle giuste condizioni, danno come risultato un oscillatore che batte a intervalli di pochi secondi, proprio come un orologio.

Secondo Michael Strano, professore di ingegneria chimica al MIT, "Stiamo cercando di cercare regole o proprietà molto semplici che puoi codificare in macchine microrobotiche relativamente semplici in modo da poterle eseguire in massa compiti altamente sofisticati".

Thomas Berrueta, uno studente laureato presso la Northwestern University sotto la guida del professor Todd Murphey, è un coautore dello studio con Yang.

Le colonie di insetti come formiche e api possono svolgere compiti che un singolo membro del gruppo non potrebbe mai completare, il che è un esempio di comportamento emergente.

“Le formiche hanno un cervello piccolo e svolgono funzioni cognitive estremamente basilari, ma quando lavorano insieme possono fare cose incredibili. Possono raccogliere cibo e creare questi complessi sistemi di tunnel", afferma Strano. "Fisici e ingegneri come me vogliono capire queste regole perché significa che possiamo creare esseri minuscoli che lavorano insieme per svolgere compiti complessi".

In questo progetto, l'obiettivo era creare particelle in grado di produrre oscillazioni o movimenti ritmici a frequenze molto basse. Fino a poco tempo, la creazione di microoscillatori a bassa frequenza richiedeva componenti elettronici costosi e complessi o materiali speciali con una chimica complessa.

Per questo studio, i ricercatori hanno creato dischi di 100 micron di diametro come particelle elementari. Il cerotto di platino sui dischi a base di polimeri SU-8 può accelerare la conversione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno.

Le particelle tendono a muoversi verso la parte superiore di una gocciolina di perossido di idrogeno quando posizionate sulla superficie della gocciolina su una superficie piana. Interagiscono con altre particelle a contatto liquido-aria. Ogni particella crea una piccola bolla di ossigeno e quando le due particelle si avvicinano abbastanza per interagire, le bolle scoppiano e le particelle si separano. Il processo riprende quindi con la formazione di nuove bolle.

Quando le particelle lavorano insieme, dice Yang, "possono fare qualcosa di davvero fantastico e utile, che in realtà è difficile da ottenere su microscala. Una particella da sola rimane immobile e non fa nulla di affascinante.

Gli scienziati hanno scoperto che due particelle possono creare un oscillatore abbastanza affidabile, ma il ritmo diventa irregolare man mano che vengono aggiunte più particelle. Tuttavia, l'aggiunta di una particella leggermente diversa dalle altre può fungere da "leader" che riorganizza altre particelle in un oscillatore ritmico.

Questa particella leader ha le stesse dimensioni delle altre particelle, ma poiché contiene una macchia di platino leggermente più grande, può produrre una bolla di ossigeno più grande. Ciò consente a questa particella di migrare al centro dell'ammasso, dove controlla le oscillazioni di tutte le altre particelle. I ricercatori hanno scoperto che potrebbero creare oscillatori con almeno 11 particelle utilizzando questo metodo.

Questo oscillatore ha una frequenza che va da 0,1 a 0,3 hertz, a seconda della quantità di particelle; questo è alla pari con gli oscillatori a bassa frequenza che controllano i processi biologici come la deambulazione e il battito cardiaco.

Corrente Oscillante

I ricercatori hanno anche dimostrato come potrebbero utilizzare i battiti ritmici di queste particelle per creare una corrente elettrica oscillante. Per raggiungere questo obiettivo, hanno utilizzato una cella a combustibile in platino e rutenio o oro invece di un catalizzatore al platino. La tensione della cella a combustibile viene convertita in una corrente oscillante mediante l'oscillazione meccanica di particelle che cambiano ritmicamente la resistenza da un'estremità all'altra della cella a combustibile.

In alcuni casi, come quando si alimentano robot ambulanti in miniatura, può essere vantaggioso generare una corrente oscillante anziché una corrente costante. Questo metodo è stato utilizzato dai ricercatori del MIT per dimostrare che potevano alimentare un microattuatore che fungeva da gambe di un piccolo robot ambulante precedentemente creato dai ricercatori della Cornell University. La sorgente laser del primo modello richiedeva che la corrente fosse fatta oscillare dall'uomo, alternativamente puntata su ciascuna serie di gambe. Utilizzando un filo per trasmettere la corrente dalle particelle all'attuatore, i ricercatori del MIT hanno dimostrato che la corrente oscillante incorporata creata dalle sue particelle potrebbe alimentare il movimento ciclico della gamba microrobotica.

Secondo Strano, dimostra come un'oscillazione meccanica può essere trasformata in un'oscillazione elettrica, che può quindi essere utilizzata per alimentare compiti robotici.

Il controllo di sciami di piccoli robot autonomi che potrebbero essere utilizzati come sensori per monitorare l'inquinamento idrico è uno dei potenziali usi di questo tipo di tecnologia.

Fonte: techxplore

Günceleme: 13/10/2022 19:56