تعمل الجسيمات الصغيرة بشكل جماعي لتوليد سلوك معقد
يمكن للجسيمات الدقيقة البسيطة أن تنبض معًا بشكل إيقاعي، وتولد تيارًا كهربائيًا متذبذبًا يمكن استخدامه لتشغيل الأجهزة الروبوتية الدقيقة.
يستفيد مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من ظاهرة تُعرف بالسلوك الناشئ على النطاق المجهري. لقد صمموا جزيئات دقيقة بسيطة يمكن أن تولد بشكل جماعي سلوكًا معقدًا، بنفس الطريقة التي تعمل بها مستعمرة النمل معًا لحفر الأنفاق أو جمع الطعام.
بالعمل معًا، يمكن للجسيمات الدقيقة أن تولد ساعة دقات تتأرجح بتردد منخفض جدًا. أوضح الباحثون كيف يمكن تسخير هذه التذبذبات لتشغيل أجهزة روبوتية صغيرة.
“بالإضافة إلى كونه مثيرًا للاهتمام من وجهة نظر الفيزياء، يمكن أيضًا ترجمة هذا السلوك إلى إشارة كهربائية متذبذبة على متن الطائرة، والتي يمكن أن تكون قوية جدًا في استقلالية الروبوتات الدقيقة. يقول جينغفان يانغ: “هناك الكثير من المكونات الكهربائية التي تتطلب مثل هذه المدخلات التذبذبية”. وهو أحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة الجديدة وحاصل على درجة الدكتوراه من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مؤخرًا.
أظهر المهندسون الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الجسيمات المتخصصة يمكن أن تتأرجح معًا، مما يدل على ظاهرة تُعرف بالسلوك الناشئ. الائتمان: بإذن من الباحثين
يتم إجراء تفاعل كيميائي بسيط بواسطة الجزيئات المستخدمة في إنشاء مذبذب جديد، والذي يسمح للجسيمات بالتفاعل مع بعضها البعض من خلال تكوين وانفجار فقاعات غاز صغيرة. في ظل الظروف المناسبة، تشكل هذه التفاعلات مذبذبًا يتصرف بشكل مشابه للساعة الموقوتة، حيث ينبض على فترات من بضع ثوانٍ.
يقول مايكل سترانو: “نحاول البحث عن قواعد أو ميزات بسيطة جدًا يمكنك ترميزها في آلات ميكروبوتيك بسيطة نسبيًا، لحملهم بشكل جماعي على القيام بمهام معقدة للغاية”. وهو المؤلف الرئيسي للورقة وأستاذ الهندسة الكيميائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Carbon P. Dubbs.
جنبا إلى جنب مع يانغ، توماس بيرويتا ، طالب دراسات عليا في جامعة نورث وسترن نصحه البروفيسور تود مورفي، وهو المؤلف الرئيسي للدراسة التي ستنشر اليوم (13 أكتوبر 2022) في مجلة Nature Communications .
السلوك الجماعي
يمكن رؤية مظاهرات السلوك الناشئ في جميع أنحاء العالم الطبيعي، حيث تحقق مستعمرات الحشرات مثل النمل والنحل مآثر لن يتمكن فرد واحد من المجموعة من تحقيقها.
“النمل لديه أدمغة صغيرة ويقومون بمهام إدراكية بسيطة للغاية، ولكن بشكل جماعي يمكنهم القيام بأشياء مذهلة. يمكنهم البحث عن الطعام وبناء هياكل الأنفاق المتقنة هذه، “يقول سترانو. “الفيزيائيون والمهندسون مثلي يريدون فهم هذه القواعد لأنها تعني أنه يمكننا صنع أشياء صغيرة تؤدي بشكل جماعي مهام معقدة.”
في هذه الدراسة، أراد الباحثون تصميم جسيمات يمكن أن تولد حركات أو اهتزازات إيقاعية بتردد منخفض للغاية. حتى الآن، يتطلب بناء المذبذبات الدقيقة منخفضة التردد إلكترونيات متطورة باهظة الثمن ويصعب تصميمها، أو مواد متخصصة ذات كيمياء معقدة.
الجسيمات البسيطة التي صممها الباحثون لهذه الدراسة هي أقراص صغيرة يصل قطرها إلى 100 ميكرون. تحتوي الأقراص، المصنوعة من بوليمر يسمى SU-8 ، على رقعة بلاتينية يمكنها تحفيز تكسير بيروكسيد الهيدروجين إلى الماء والأكسجين.
أظهر المهندسون الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الجسيمات المتخصصة يمكن أن تتأرجح معًا، مما يدل على ظاهرة تُعرف بالسلوك الناشئ. على اليسار، جسيمان يتأرجحان معًا، وعلى اليمين ثماني جسيمات. فيديو من باب المجاملة الباحثين.
عندما توضع الجسيمات على سطح قطرة من بيروكسيد الهيدروجين على سطح مستو، فإنها تميل إلى الانتقال إلى الجزء العلوي من القطرة. في واجهة الهواء السائل هذه، يتفاعلون مع أي جسيمات أخرى موجودة هناك. ينتج كل جسيم فقاعة صغيرة خاصة به من الأكسجين، وعندما يقترب جسيمان بدرجة كافية بحيث تتفاعل فقاعاتهما، تنفجر الفقاعات، دافعة الجزيئات بعيدًا عن بعضها البعض. ثم يبدأون في تكوين فقاعات جديدة، وتتكرر الدورة مرارًا وتكرارًا.
يقول يانغ: “يبقى جسيم واحد في حد ذاته ثابتًا ولا يفعل شيئًا مثيرًا للاهتمام، ولكن من خلال العمل الجماعي، يمكنهم فعل شيء مذهل ومفيد للغاية، وهو في الواقع أمر يصعب تحقيقه على المستوى المجهري”.
وجد الباحثون أن جسيمين يمكن أن يصنعوا مذبذبًا موثوقًا به للغاية، ولكن مع إضافة المزيد من الجسيمات، سيتم التخلص من الإيقاع. ومع ذلك، إذا أضافوا جسيمًا مختلفًا قليلاً عن الجسيمات الأخرى، يمكن لهذا الجسيم أن يعمل “كقائد” يعيد تنظيم الجسيمات الأخرى إلى مذبذب إيقاعي.
هذا الجسيم الرائد هو نفس حجم الجسيمات الأخرى ولكن يحتوي على رقعة بلاتينية أكبر قليلاً، والتي تمكنه من تكوين فقاعة أكسجين أكبر. هذا يسمح لهذا الجسيم بالانتقال إلى مركز المجموعة، حيث يقوم بتنسيق اهتزازات جميع الجسيمات الأخرى. باستخدام هذا النهج، وجد الباحثون أنه يمكنهم إنشاء مذبذبات تحتوي على ما لا يقل عن 11 جسيمًا.
اعتمادًا على عدد الجسيمات، فإن هذا المذبذب ينبض بتردد يتراوح من 0.1 إلى 0.3 هرتز، وهو ترتيب المذبذبات منخفضة التردد التي تتحكم في الوظائف البيولوجية مثل المشي ونبض القلب.
تتأرجح التيار
أظهر المهندسون أيضًا أنه يمكنهم استخدام الضرب المنتظم لهذه الجسيمات لتوليد تيار كهربائي متذبذب. للقيام بذلك، قاموا باستبدال محفز البلاتين بخلية وقود مصنوعة من البلاتين والروثينيوم أو الذهب. يغير التذبذب الميكانيكي للجسيمات بشكل إيقاعي المقاومة من أحد طرفي خلية الوقود إلى الطرف الآخر، مما يحول الجهد المتولد من خلية الوقود إلى تيار متذبذب.
يمكن أن يكون توليد تيار متذبذب بدلاً من تيار ثابت مفيدًا لتطبيقات مثل تشغيل الروبوتات الصغيرة التي يمكنها المشي. استخدم علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هذا النهج لإثبات قدرتهم على تشغيل محرك دقيق، والذي كان يستخدم سابقًا كأرجل على روبوت صغير يمشي طوره باحثون في جامعة كورنيل. تم تشغيل الإصدار الأصلي بواسطة الليزر الذي كان يجب توجيهه بالتناوب إلى كل مجموعة من الأرجل، لتذبذب التيار يدويًا. أظهر فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن التيار المتذبذب على متن المركب الناتج عن جزيئاتها يمكن أن يدفع التشغيل الدوري للساق الميكروبيوتيك ، باستخدام سلك لنقل التيار من الجسيمات إلى المشغل.
يقول سترانو: “إنه يُظهر أن هذا التذبذب الميكانيكي يمكن أن يصبح تذبذبًا كهربائيًا، ومن ثم يمكن للتذبذب الكهربائي أن يعمل في الواقع على الأنشطة التي يقوم بها الروبوت”.
أحد التطبيقات الممكنة لهذا النوع من النظام هو التحكم في أسراب من الروبوتات الصغيرة المستقلة التي يمكن استخدامها كأجهزة استشعار لمراقبة تلوث المياه.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
