Elektrischer Strom aus Mikropartikeln

Mithilfe eines Phänomens, das als mikroemergentes Verhalten bekannt ist, haben MIT-Ingenieure elementare Mikropartikel geschaffen, die kollektiv ausgeklügelte Aktivitäten hervorrufen können, wie z. B. eine Ameisenkolonie, die Tunnel baut oder nach Nahrung sucht. Wenn Mikropartikel zusammenarbeiten, können sie eine Uhr erzeugen, die mit einer sehr niedrigen Frequenz schwingt. Forscher haben gezeigt, dass es möglich ist, diese Schwingungen zu nutzen, um kleine Robotergeräte anzutreiben.

„Dieses Verhalten kann in ein eingebautes oszillierendes elektrisches Signal übersetzt werden, das nicht nur für die Physik interessant ist, sondern auch für die Autonomie von Mikrorobotern sehr effektiv sein könnte. Viele elektrische Teile benötigen diese Art von oszillierendem Input, einschließlich Jingfan Yang, ein frischgebackener MIT-Absolvent und einer der Hauptautoren der Studie“, fügt er hinzu.

Die einzelnen Teilchen des neuen Oszillators greifen in einen einfachen chemischen Mechanismus ein, der es ihnen ermöglicht, miteinander zu kommunizieren, indem sie winzige Gasbläschen bilden und zum Platzen bringen. Diese Wechselwirkungen führen unter den richtigen Bedingungen zu einem Oszillator, der in Intervallen von wenigen Sekunden schlägt, genau wie eine Uhr.

Laut Michael Strano, Professor für Chemieingenieurwesen am MIT, „versuchen wir, nach sehr einfachen Regeln oder Eigenschaften zu suchen, die man in relativ einfache Mikroroboter-Maschinen codieren kann, damit wir sie massenhaft hochkomplexe Aufgaben ausführen lassen können.“

Thomas Berrueta, ein Doktorand an der Northwestern University unter der Leitung von Professor Todd Murphey, ist Co-Autor der Studie mit Yang.

Insektenkolonien wie Ameisen und Bienen können Aufgaben ausführen, die ein einzelnes Mitglied der Gruppe niemals ausführen könnte, was ein Beispiel für emergentes Verhalten ist.

„Ameisen haben kleine Gehirne und führen extrem grundlegende kognitive Funktionen aus, aber wenn sie zusammenarbeiten, können sie erstaunliche Dinge tun. Sie können Nahrung sammeln und diese komplexen Tunnelsysteme bauen“, sagt Strano. „Physiker und Ingenieure wie ich wollen diese Regeln verstehen, weil sie bedeuten, dass wir winzige Wesen erschaffen können, die zusammenarbeiten, um komplexe Aufgaben zu erfüllen.“

In diesem Projekt war das Ziel, Partikel zu erzeugen, die Schwingungen oder rhythmische Bewegungen bei sehr niedrigen Frequenzen erzeugen können. Bis vor kurzem erforderte die Herstellung niederfrequenter Mikrooszillatoren teure, komplexe Elektronik oder spezielle Materialien mit komplexer Chemie.

Für diese Studie erzeugten die Forscher Scheiben mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern als Elementarteilchen. Der Platin-Patch auf polymerbasierten SU-8-Scheiben kann die Umwandlung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff beschleunigen.

Partikel neigen dazu, sich in Richtung der Oberseite eines Wasserstoffperoxidtröpfchens zu bewegen, wenn sie auf der Tröpfchenoberfläche auf einer flachen Oberfläche platziert werden. Sie interagieren mit anderen Partikeln im Flüssigkeits-Luft-Kontakt. Jedes Partikel erzeugt eine kleine Sauerstoffblase, und wenn sich die beiden Partikel nahe genug kommen, um miteinander zu interagieren, platzen die Blasen und die Partikel trennen sich. Der Prozess beginnt dann erneut mit der Bildung neuer Blasen.

Wenn Partikel zusammenarbeiten, sagt Yang, „können sie etwas ziemlich Fantastisches und Nützliches tun, was im Mikromaßstab eigentlich nur schwer zu erreichen ist. Ein Teilchen allein bleibt bewegungslos und macht nichts Faszinierendes.

Wissenschaftler haben entdeckt, dass zwei Teilchen einen ziemlich zuverlässigen Oszillator bilden können, aber der Rhythmus wird unregelmäßig, wenn mehr Teilchen hinzugefügt werden. Das Hinzufügen eines Partikels, das sich geringfügig von den anderen unterscheidet, kann jedoch als "Führer" dienen, der andere Partikel in einem rhythmischen Oszillator neu anordnet.

Dieses Leader-Partikel hat die gleiche Größe wie die anderen Partikel, aber da es einen etwas größeren Platinfleck enthält, kann es eine größere Sauerstoffblase erzeugen. Dadurch kann dieses Teilchen in das Zentrum des Clusters wandern, wo es die Schwingungen aller anderen Teilchen steuert. Die Forscher entdeckten, dass sie mit dieser Methode Oszillatoren mit mindestens 11 Teilchen erzeugen konnten.

Dieser Oszillator hat je nach Partikelmenge eine Frequenz von 0,1 bis 0,3 Hertz; dies ist vergleichbar mit niederfrequenten Oszillatoren, die biologische Prozesse wie Gehen und Herzschlag steuern.

Oszillierender Strom

Die Forscher demonstrierten auch, wie sie die rhythmischen Schläge dieser Teilchen nutzen konnten, um einen oszillierenden elektrischen Strom zu erzeugen. Um dies zu erreichen, verwendeten sie anstelle eines Platinkatalysators eine Platin- und Ruthenium- oder Gold-Brennstoffzelle. Die Spannung der Brennstoffzelle wird durch mechanische Schwingungen von Partikeln, die den Widerstand von einem Ende der Brennstoffzelle zum anderen rhythmisch ändern, in einen oszillierenden Strom umgewandelt.

In manchen Fällen, beispielsweise beim Antrieb von Miniatur-Laufrobotern, kann es vorteilhaft sein, anstelle eines konstanten Stroms einen oszillierenden Strom zu erzeugen. Diese Methode wurde von MIT-Forschern verwendet, um zu demonstrieren, dass sie einen Mikroaktuator antreiben können, der als Beine eines kleinen Laufroboters diente, der zuvor von Forschern der Cornell University entwickelt wurde. Die Laserquelle des ersten Modells erforderte, dass der Strom vom Menschen oszilliert wurde und abwechselnd auf jedes Beinpaar gerichtet war. Durch die Verwendung eines Drahtes zur Übertragung des Stroms von den Partikeln zum Aktuator demonstrierten MIT-Forscher, dass der eingebaute oszillierende Strom, der von seinen Partikeln erzeugt wird, die zyklische Bewegung des Mikroroboterbeins antreiben kann.

Laut Strano demonstriert er, wie eine mechanische Schwingung in eine elektrische Schwingung umgewandelt werden kann, die dann für Roboteraufgaben genutzt werden kann.

Die Steuerung von Schwärmen kleiner autonomer Roboter, die als Sensoren zur Überwachung der Wasserverschmutzung eingesetzt werden könnten, ist eine der potenziellen Anwendungen für diese Art von Technologie.

Quelle: techxplore

📩 13/10/2022 19:56