Aprovechando un fenómeno conocido como comportamiento microemergente, los ingenieros del MIT han creado micropartículas elementales que colectivamente pueden producir actividades sofisticadas, como una colonia de hormigas que construye túneles o busca comida. Cuando las micropartículas cooperan, pueden crear un reloj que oscila a una frecuencia muy baja. Los investigadores han demostrado que es posible utilizar estas oscilaciones para alimentar pequeños dispositivos robóticos.
“Este comportamiento se puede traducir en una señal eléctrica oscilante incorporada que, además de ser de interés para la física, podría ser muy eficaz en la autonomía de los microrrobóticos. Muchas partes eléctricas necesitan este tipo de entrada oscilatoria, incluido Jingfan Yang, un recién graduado del MIT y uno de los principales autores del estudio", agrega.
Las partículas componentes del nuevo oscilador participan en un mecanismo químico simple que les permite comunicarse entre sí formando y explotando pequeñas burbujas de gas. Estas interacciones, en las condiciones adecuadas, dan como resultado un oscilador que late a intervalos de unos pocos segundos, como un reloj.
Según Michael Strano, profesor de ingeniería química en el MIT, "estamos tratando de buscar reglas o propiedades muy simples que se puedan codificar en máquinas microrobóticas relativamente simples para que podamos hacer que realicen tareas altamente sofisticadas en masa".
Thomas Berrueta, estudiante de posgrado en la Universidad Northwestern bajo la dirección del profesor Todd Murphey, es coautor del estudio con Yang.
Las colonias de insectos, como las hormigas y las abejas, pueden realizar tareas que un solo miembro del grupo nunca podría completar, lo cual es un ejemplo de comportamiento emergente.
“Las hormigas tienen cerebros pequeños y realizan funciones cognitivas extremadamente básicas, pero cuando trabajan juntas pueden hacer cosas asombrosas. Pueden recolectar alimentos y crear estos complejos sistemas de túneles”, dice Strano. “Los físicos e ingenieros como yo queremos entender estas reglas porque significa que podemos crear seres diminutos que trabajan juntos para realizar tareas complejas”.
En este proyecto, el objetivo era crear partículas que pudieran producir oscilaciones o movimientos rítmicos a muy bajas frecuencias. Hasta hace poco, la creación de microosciladores de baja frecuencia requería componentes electrónicos costosos y complejos o materiales especiales con una química compleja.
Para este estudio, los investigadores crearon discos de 100 micrones de diámetro como partículas elementales. El parche de platino de los discos basados en polímeros SU-8 puede acelerar la conversión de peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno.
Las partículas tienden a moverse hacia la parte superior de una gota de peróxido de hidrógeno cuando se colocan en la superficie de la gota sobre una superficie plana. Interactúan con otras partículas en contacto líquido-aire. Cada partícula crea una pequeña burbuja de oxígeno, y cuando las dos partículas se acercan lo suficiente como para interactuar, las burbujas estallan y las partículas se separan. Luego, el proceso se reinicia con la formación de nuevas burbujas.
Cuando las partículas trabajan juntas, dice Yang, "pueden hacer algo bastante fantástico y útil, que en realidad es difícil de lograr a microescala. Una partícula por sí sola permanece inmóvil y no hace nada fascinante.
Los científicos han descubierto que dos partículas pueden formar un oscilador bastante confiable, pero el ritmo se vuelve errático a medida que se agregan más partículas. Sin embargo, la adición de una partícula que es ligeramente diferente de las demás puede servir como un "líder" que reorganiza otras partículas en un oscilador rítmico.
Esta partícula líder tiene el mismo tamaño que las otras partículas, pero debido a que contiene una porción de platino ligeramente más grande, puede producir una burbuja de oxígeno más grande. Esto permite que esta partícula migre al centro del cúmulo, donde controla las oscilaciones de todas las demás partículas. Los investigadores descubrieron que podían crear osciladores con al menos 11 partículas usando este método.
Este oscilador tiene una frecuencia que va de 0,1 a 0,3 hercios, dependiendo de la cantidad de partículas; esto está a la par con los osciladores de baja frecuencia que controlan procesos biológicos como caminar y los latidos del corazón.
corriente oscilante
Los investigadores también demostraron cómo podían usar los latidos rítmicos de estas partículas para crear una corriente eléctrica oscilante. Para lograrlo, utilizaron una celda de combustible de platino y rutenio u oro en lugar de un catalizador de platino. El voltaje de la celda de combustible se convierte en una corriente oscilante mediante la oscilación mecánica de partículas que cambian rítmicamente la resistencia de un extremo a otro de la celda de combustible.
En algunos casos, como cuando se alimentan robots ambulantes en miniatura, puede resultar ventajoso generar una corriente oscilante en lugar de una corriente constante. Este método fue utilizado por investigadores del MIT para demostrar que podían accionar un microaccionador que servía como las piernas de un pequeño robot andante creado previamente por investigadores de la Universidad de Cornell. La fuente de láser del primer modelo requería que el ser humano hiciera oscilar la corriente, apuntando alternativamente a cada par de piernas. Mediante el uso de un cable para transmitir la corriente de las partículas al actuador, los investigadores del MIT demostraron que la corriente oscilante integrada creada por sus partículas podría impulsar el movimiento cíclico de la pata microrrobótica.
Según Strano, demuestra cómo una oscilación mecánica se puede transformar en una oscilación eléctrica, que luego se puede utilizar para impulsar tareas robóticas.
Controlar enjambres de pequeños robots autónomos que podrían usarse como sensores para monitorear la contaminación del agua es uno de los usos potenciales de este tipo de tecnología.
Fuente: techxplore
Günceleme: 13/10/2022 19:56
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