科學家誘導微小顆粒的振蕩開發可像微生物一樣移動的微型機器人

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哥倫比亞大學和西北大學的工程師使用電場來誘導微小顆粒的振蕩；這種運動可以被研究人員用來開發微型機器人。科學和工程的一個具有挑戰性的前沿領域是控制熱力學平衡之外的物質，以建立具有與生物體相媲美的能力的材料系統。

對活性膠體的研究旨在創造微型和納米級的 "顆粒"，使其像原始微生物一樣在粘稠的液體中遊動。當這些自我推進的粒子聚集在一起時，它們可以像魚群一樣組織和移動，執行機器人的功能，例如在複雜的環境中導航和將 "貨物"運送到目標地點。

由化學工程教授Kyle Bishop領導的哥倫比亞工程團隊，在研究和設計由化學反應或外部磁場、電場或聲場驅動的活性膠體的動力學方面處於領先地位。該小組正在開發膠體機器人，其中的活性成分相互作用和組裝，以執行受活細胞啟發的動態功能。

在《物理評論快報》今天發表的一項新研究中，Bishop的小組與西北大學生物啟發能源科學中心（CBES）的合作者合作，報告說他們已經證明了使用直流電場來驅動電邊界層中的微粒子來回旋轉。這些粒子振蕩器可以作為協調活性物質組織的時鐘而發揮作用，甚至可能協調微米級機器人的功能。

微小的粒子振蕩器可以使新型的活性物質結合自我推進的膠體的蜂擁行為和耦合振蕩器的同步行為。研究人員期望粒子之間的相互作用取決於它們各自的位置和相位，從而實現更豐富的集體行為--這些行為可以被設計和利用於蜂群機器人的應用。

在微米尺度上制作一個可靠的時鐘並不像它聽起來那麼簡單。正如人們可以想象的那樣，擺鐘在浸泡在蜂蜜中時並不能很好地工作。它們的周期性運動與所有慣性振蕩器的周期性運動一樣，在足夠的摩擦阻力下會拖到停止。沒有慣性的幫助，驅動粘性液體中微米級顆粒的振蕩運動也同樣具有挑戰性。

"我們最近觀察到膠體球體在直流電場中來回振蕩，這提出了一個有點神秘的問題，我們想解決這個問題，"論文的主要作者Zhang Zhengyan觀察到，他是Bishop實驗室的一名博士生，發現了這種效應。"通過改變粒子的大小、場強和流體的導電性，我們確定了振蕩所需的實驗條件，並揭示了粒子有節奏的動態的內在機制。"

早先的工作已經證明了類似的粒子如何通過一個被稱為Quincke旋轉的過程進行穩定的旋轉。就像一個從上面灌入的水輪一樣，Quincke不穩定性是由粒子表面的電荷積累和它在電場中的機械旋轉所驅動。然而，現有的Quincke旋轉和過阻尼水輪的模型並沒有預測振蕩動力學。

這項新的研究通過參考非極性電解質中的邊界層來描述和解釋 "神秘的 "振蕩。在這個常常被研究人員忽視的層內，電荷載流子被產生，然後在電場的影響下遷移。這些過程在粒子表面的電荷積累率中引入了空間上的不對稱性。就像水車的水桶在頂部漏水比在底部漏水快一樣，不對稱的充電可以導致在高場強下的前後旋轉。這項工作展示了一種產生振蕩器的方法，這可能導致流體中合作現象的出現。

該團隊用不同形狀的顆粒進行了實驗，發現他們可以用任何顆粒產生振蕩，只要它們的尺寸與邊界層的尺寸相當。

通過調整場強和/或電解質，我們可以預測地控制這些 "昆克鐘 "的頻率，"Bishop補充說。"我們的論文能夠設計出基於移動振蕩器集合的新形式的活性物質。"

該團隊目前正在研究當許多昆克振蕩器移動並相互作用時出現的集體行為。