MIT mühendisleri, mikro ölçekte ortaya çıkan davranış olarak bilinen bir olgudan yararlanarak, bir karınca kolonisinin tüneller inşa etmesi veya yiyecek toplaması gibi, topluca sofistike faaliyetler üretebilen temel mikro parçacıklar yarattı. Mikro parçacıklar, işbirliği yaptıklarında çok düşük bir frekansta salınan bir saat oluşturabiliyor. Araştırmacılar, bu salınımları küçük robotik cihazlara güç sağlamak için kullanmanın mümkün olduğunu gösterdiler.
“Bu davranış, fizik açısından ilgi çekici olmasının yanı sıra mikrorobotik otonomide oldukça etkili olabilecek yerleşik salınımlı bir elektrik sinyaline dönüştürülebilir. MIT’den yeni mezun olan ve çalışmanın başlıca yazarlarından biri olan Jingfan Yang da dahil olmak üzere pek çok elektrikli parçanın bu tür bir salınım girdisine ihtiyacı var” diye ekliyor.
Yeni osilatörün bileşen parçacıkları, küçük gaz kabarcıkları oluşturup patlatarak birbirleriyle iletişim kurmalarını sağlayan basit bir kimyasal mekanizmaya giriyor. Bu etkileşimler, doğru koşullar altında, tıpkı bir saat gibi birkaç saniyelik aralıklarla atan bir osilatörle sonuçlanıyor.
MIT’de Kimya Mühendisliği Profesörü olan Michael Strano’ya göre, “Nispeten basit mikrorobotik makinelere kodlayabileceğiniz çok basit kurallar veya özellikler aramaya çalışıyoruz, böylece oldukça sofistike görevleri toplu olarak yerine getirmelerini sağlayabiliriz.”
Nature Communications’da yayınlanan yeni araştırmanın kıdemli yazarı Strano Northwestern Üniversitesi’nde Profesör Todd Murphey’in rehberliğinde yüksek lisans öğrencisi olan Thomas Berrueta, Yang ile birlikte çalışmanın ortak yazarıdır.
Karıncalar ve arılar gibi böcek kolonileri, grubun tek bir üyesinin asla tamamlayamayacağı görevleri yerine getirebilir, bu da ortaya çıkan davranışın bir örneğidir.
“Karıncalar küçük beyinlere sahiptir ve son derece temel bilişsel işlevleri yerine getirirler, ancak birlikte çalıştıklarında inanılmaz işler başarabilirler. Yiyecek toplayabiliyor ve bu karmaşık tünel sistemlerini yaratabiliyorlar” diyor Strano. “Benim gibi fizikçiler ve mühendisler bu kuralları anlamak istiyor çünkü bu, karmaşık işleri gerçekleştirmek için birlikte çalışan küçük varlıklar yaratabileceğimiz anlamına geliyor.”
Bu projede amaç, çok düşük frekanslarda salınımlar veya ritmik hareketler üretebilen parçacıklar yaratmaktı. Yakın zamana kadar, düşük frekanslı mikro osilatörler oluşturmak pahalı, karmaşık elektronikler veya karmaşık kimyaya sahip özel malzemeler gerektiriyordu.
Araştırmacılar bu çalışma için temel parçacıklar olarak 100 mikron çapında diskler oluşturdular. SU-8 polimer bazlı diskler üzerindeki platin yama, hidrojen peroksitin su ve oksijene dönüşümünü hızlandırabilir.
Parçacıklar, düz bir yüzey üzerinde damlacık yüzeyine yerleştirildiklerinde bir hidrojen peroksit damlacığının tepesine doğru hareket etme eğilimindedirler. Sıvı-hava temasında bulunan diğer parçacıklarla etkileşime girerler. Her bir partikül küçük bir oksijen kabarcığı oluşturur ve iki partikül etkileşime girecek kadar yaklaştığında kabarcıklar patlar ve partiküller birbirinden ayrılır. Süreç daha sonra yeni kabarcıkların oluşumuyla yeniden başlar.
Yang, parçacıklar birlikte çalıştığında, “oldukça fantastik ve faydalı bir şey yapabilirler, ki bu aslında mikro ölçekte başarılması zor bir şeydir. Bir parçacık tek başına hareketsiz kalır ve büyüleyici bir şey yapmaz.
Bilim insanları iki parçacığın oldukça güvenilir bir osilatör oluşturabildiğini, ancak daha fazla parçacık eklendiğinde ritmin düzensizleştiğini keşfettiler. Bununla birlikte, diğerlerinden biraz farklı olan bir parçacığın eklenmesi, diğer parçacıkları ritmik bir osilatörde yeniden düzenleyen bir “lider” olarak hizmet edebilir.
Bu lider parçacık diğer parçacıklarla aynı boyuttadır, ancak biraz daha büyük bir platin yama içerdiği için daha büyük bir oksijen kabarcığı üretebilir. Bu da bu parçacığın kümenin merkezine göç etmesini ve burada diğer tüm parçacıkların salınımlarını kontrol etmesini sağlıyor. Araştırmacılar bu yöntemi kullanarak en az 11 parçacıklı osilatörler oluşturabileceklerini keşfettiler.
Bu osilatör, partikül miktarına bağlı olarak 0,1 ila 0,3 hertz arasında değişen bir frekansa sahiptir; bu da yürüme ve kalp atışı gibi biyolojik süreçleri kontrol eden düşük frekanslı osilatörlerle aynı seviyededir.
Salınımlı Akım
Araştırmacılar ayrıca bu parçacıkların ritmik vuruşlarını kullanarak nasıl salınımlı bir elektrik akımı yaratabileceklerini de gösterdiler. Bunu başarmak için platin katalizör yerine platin ve rutenyum veya altın yakıt hücresi kullandılar. Yakıt hücresinin voltajı, yakıt hücresinin bir ucundan diğerine direnci ritmik olarak değiştiren parçacıkların mekanik salınımıyla salınımlı bir akıma dönüştürülür.
Minyatür yürüyen robotlara güç verirken olduğu gibi bazı durumlarda sabit bir akım yerine salınımlı bir akım üretmek avantajlı olabilir. Bu yöntem MIT araştırmacıları tarafından, daha önce Cornell Üniversitesi araştırmacıları tarafından oluşturulan küçük bir yürüyen robotun bacakları olarak görev yapan bir mikro aktüatöre güç verebileceklerini göstermek için kullanıldı. İlk modelin lazer kaynağı, akımın her bir bacak setine dönüşümlü olarak hedeflenerek insan tarafından salınmasını gerektiriyordu. MIT araştırmacıları, akımı parçacıklardan aktüatöre iletmek için bir tel kullanarak, parçacıkları tarafından oluşturulan yerleşik salınımlı akımın mikrorobotik bacağın döngüsel hareketine güç sağlayabileceğini gösterdi.
Strano’ya göre, mekanik bir salınımın nasıl elektriksel bir salınıma dönüşebileceğini ve bunun daha sonra robotik görevlere güç sağlamak için kullanılabileceğini gösteriyor.
Su kirliliğini izlemek için sensör olarak kullanılabilecek küçük otonom robot sürülerini kontrol etmek, bu tür bir teknolojinin potansiyel kullanım alanlarından biridir.
Kaynak: techxplore
