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科学家诱导微小颗粒的振荡开发可像微生物一样移动的微型机器人

微观 | 感谢投递 2021-07-16 479

对活性胶体的研究旨在创造微型和纳米级的 "颗粒",使其像原始微生物一样在粘稠的液体中游动。当这些自我推进的粒子聚集在一起时,它们可以像鱼群一样组织和移动,执行机器人的功能,例如在复杂的环境中导航和将 "货物"运送到目标地点。

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由化学工程教授Kyle Bishop领导的哥伦比亚工程团队,在研究和设计由化学反应或外部磁场、电场或声场驱动的活性胶体的动力学方面处于领先地位。该小组正在开发胶体机器人,其中的活性成分相互作用和组装,以执行受活细胞启发的动态功能。

在《物理评论快报》今天发表的一项新研究中,Bishop的小组与西北大学生物启发能源科学中心(CBES)的合作者合作,报告说他们已经证明了使用直流电场来驱动电边界层中的微粒子来回旋转。这些粒子振荡器可以作为协调活性物质组织的时钟而发挥作用,甚至可能协调微米级机器人的功能。

微小的粒子振荡器可以使新型的活性物质结合自我推进的胶体的蜂拥行为和耦合振荡器的同步行为。研究人员期望粒子之间的相互作用取决于它们各自的位置和相位,从而实现更丰富的集体行为--这些行为可以被设计和利用于蜂群机器人的应用。

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在微米尺度上制作一个可靠的时钟并不像它听起来那么简单。正如人们可以想象的那样,摆钟在浸泡在蜂蜜中时并不能很好地工作。它们的周期性运动与所有惯性振荡器的周期性运动一样,在足够的摩擦阻力下会拖到停止。没有惯性的帮助,驱动粘性液体中微米级颗粒的振荡运动也同样具有挑战性。

"我们最近观察到胶体球体在直流电场中来回振荡,这提出了一个有点神秘的问题,我们想解决这个问题,"论文的主要作者Zhang Zhengyan观察到,他是Bishop实验室的一名博士生,发现了这种效应。"通过改变粒子的大小、场强和流体的导电性,我们确定了振荡所需的实验条件,并揭示了粒子有节奏的动态的内在机制。"

早先的工作已经证明了类似的粒子如何通过一个被称为Quincke旋转的过程进行稳定的旋转。就像一个从上面灌入的水轮一样,Quincke不稳定性是由粒子表面的电荷积累和它在电场中的机械旋转所驱动。然而,现有的Quincke旋转和过阻尼水轮的模型并没有预测振荡动力学。

这项新的研究通过参考非极性电解质中的边界层来描述和解释 "神秘的 "振荡。在这个常常被研究人员忽视的层内,电荷载流子被产生,然后在电场的影响下迁移。这些过程在粒子表面的电荷积累率中引入了空间上的不对称性。就像水车的水桶在顶部漏水比在底部漏水快一样,不对称的充电可以导致在高场强下的前后旋转。这项工作展示了一种产生振荡器的方法,这可能导致流体中合作现象的出现。

该团队用不同形状的颗粒进行了实验,发现他们可以用任何颗粒产生振荡,只要它们的尺寸与边界层的尺寸相当。

通过调整场强和/或电解质,我们可以预测地控制这些 "昆克钟 "的频率,"Bishop补充说。"我们的论文能够设计出基于移动振荡器集合的新形式的活性物质。"

该团队目前正在研究当许多昆克振荡器移动并相互作用时出现的集体行为。


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