Courant électrique des microparticules

En utilisant un phénomène connu sous le nom de comportement micro-émergent, les ingénieurs du MIT ont créé des microparticules élémentaires qui peuvent produire collectivement des activités sophistiquées, telles qu'une colonie de fourmis construisant des tunnels ou cherchant de la nourriture. Lorsque les microparticules coopèrent, elles peuvent créer une horloge qui oscille à très basse fréquence. Des chercheurs ont démontré qu'il était possible d'utiliser ces oscillations pour alimenter de petits appareils robotiques.

«Ce comportement peut se traduire par un signal électrique oscillant intégré, qui, en plus d'être intéressant pour la physique, pourrait être très efficace dans l'autonomie microrobotique. De nombreuses pièces électriques ont besoin de ce type d'entrée oscillatoire, y compris Jingfan Yang, un récent diplômé du MIT et l'un des principaux auteurs de l'étude », ajoute.

Les particules constitutives du nouvel oscillateur s'engagent dans un mécanisme chimique simple qui leur permet de communiquer entre elles en formant et en faisant éclater de minuscules bulles de gaz. Ces interactions, dans les bonnes conditions, se traduisent par un oscillateur qui bat à intervalles de quelques secondes, tout comme une horloge.

Selon Michael Strano, professeur de génie chimique au MIT, "Nous essayons de rechercher des règles ou des propriétés très simples que vous pouvez coder dans des machines microrobotiques relativement simples afin que nous puissions leur faire effectuer en masse des tâches hautement sophistiquées."

Thomas Berrueta, étudiant diplômé de la Northwestern University sous la direction du professeur Todd Murphey, est co-auteur de l'étude avec Yang.

Les colonies d'insectes telles que les fourmis et les abeilles peuvent effectuer des tâches qu'un seul membre du groupe ne pourrait jamais accomplir, ce qui est un exemple de comportement émergent.

"Les fourmis ont un petit cerveau et remplissent des fonctions cognitives extrêmement basiques, mais lorsqu'elles travaillent ensemble, elles peuvent faire des choses incroyables. Ils peuvent rassembler de la nourriture et créer ces systèmes de tunnels complexes », explique Strano. "Les physiciens et les ingénieurs comme moi veulent comprendre ces règles car cela signifie que nous pouvons créer de minuscules êtres qui travaillent ensemble pour accomplir des tâches complexes."

Dans ce projet, le but était de créer des particules capables de produire des oscillations ou des mouvements rythmiques à très basses fréquences. Jusqu'à récemment, la création de micro-oscillateurs basse fréquence nécessitait une électronique coûteuse et complexe ou des matériaux spéciaux avec une chimie complexe.

Pour cette étude, les chercheurs ont créé des disques de 100 microns de diamètre sous forme de particules élémentaires. Le patch de platine sur les disques à base de polymère SU-8 peut accélérer la conversion du peroxyde d'hydrogène en eau et en oxygène.

Les particules ont tendance à se déplacer vers le haut d'une gouttelette de peroxyde d'hydrogène lorsqu'elles sont placées sur la surface de la gouttelette sur une surface plane. Ils interagissent avec d'autres particules en contact liquide-air. Chaque particule crée une petite bulle d'oxygène, et lorsque les deux particules se rapprochent suffisamment pour interagir, les bulles éclatent et les particules se séparent. Le processus redémarre alors avec la formation de nouvelles bulles.

Lorsque les particules travaillent ensemble, dit Yang, "elles peuvent faire quelque chose d'assez fantastique et utile, ce qui est en fait difficile à réaliser à l'échelle microscopique. Une particule seule reste immobile et ne fait rien de fascinant.

Les scientifiques ont découvert que deux particules peuvent constituer un oscillateur assez fiable, mais le rythme devient erratique à mesure que d'autres particules sont ajoutées. Cependant, l'ajout d'une particule légèrement différente des autres peut servir de "leader" qui réorganise d'autres particules dans un oscillateur rythmique.

Cette particule leader est de la même taille que les autres particules, mais comme elle contient un morceau de platine légèrement plus grand, elle peut produire une plus grande bulle d'oxygène. Cela permet à cette particule de migrer vers le centre de l'amas, où elle contrôle les oscillations de toutes les autres particules. Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient créer des oscillateurs avec au moins 11 particules en utilisant cette méthode.

Cet oscillateur a une fréquence allant de 0,1 à 0,3 hertz, selon la quantité de particules ; c'est à égalité avec les oscillateurs basse fréquence qui contrôlent les processus biologiques tels que la marche et le rythme cardiaque.

Courant oscillant

Les chercheurs ont également démontré comment ils pouvaient utiliser les battements rythmiques de ces particules pour créer un courant électrique oscillant. Pour y parvenir, ils ont utilisé une pile à combustible au platine et au ruthénium ou à l'or au lieu d'un catalyseur au platine. La tension de la pile à combustible est convertie en un courant oscillant par oscillation mécanique de particules qui modifient rythmiquement la résistance d'une extrémité à l'autre de la pile à combustible.

Dans certains cas, comme lors de l'alimentation de robots marcheurs miniatures, il peut être avantageux de générer un courant oscillant plutôt qu'un courant constant. Cette méthode a été utilisée par des chercheurs du MIT pour démontrer qu'ils pouvaient alimenter un micro-actionneur qui servait de pattes à un petit robot marcheur précédemment créé par des chercheurs de l'Université Cornell. La source laser du premier modèle nécessitait que le courant soit oscillé par l'humain, alternativement dirigé vers chaque ensemble de jambes. En utilisant un fil pour transmettre le courant des particules à l'actionneur, les chercheurs du MIT ont démontré que le courant oscillant intégré créé par ses particules pouvait alimenter le mouvement cyclique de la jambe microrobotique.

Selon Strano, il démontre comment une oscillation mécanique peut être transformée en une oscillation électrique, qui peut ensuite être utilisée pour alimenter des tâches robotiques.

Le contrôle d'essaims de petits robots autonomes qui pourraient être utilisés comme capteurs pour surveiller la pollution de l'eau est l'une des utilisations potentielles de ce type de technologie.

Source : techxplore

Günceleme: 13/10/2022 19:56