Aktywne koloidy mogą się grupować, tworząc inteligentne układy robotyczne /Fot. Kyle Bishop Lab

Przełom w robotyce. Aktywne koloidy jak „ławice ryb”

Naukowcy od dawna próbują stworzyć systemy robotyczne o możliwościach dorównujących organizmom żywym. Dzięki aktywnym koloidom w niedalekiej przyszłości będzie to możliwe.

Aktywne koloidy to tak naprawdę mikro- i nanoskalowe cząstki, które poruszają się w lepkich cieczach jak prymitywne mikroorganizmy. Naukowcy z Columbia Engineering pod kierownictwem prof. Kyle’a Bishopa dokonali przełomu, bo stworzyli roboty koloidalne, które mogą zachowywać się jak organizmy żywe. Wyniki prac zostały opublikowane w „Physical Review Letters”.

Aktywne koloidy jak żywe

Zespół prof. Bishopa poinformował o wykorzystaniu pól elektrycznych prądu stałego do napędzania rotacji mikrocząstek w elektrycznych warstwach granicznych. Oznacza to, że powstały molekularne „zegary”, które mogą być przydatne do koordynacji aktywnej materii, a może i nawet sterowania funkcjami mikrorobotów.

Malutkie oscylatory cząsteczkowe mogą umożliwić powstanie nowych rodzajów aktywnej materii, łączących w sobie zachowania samobieżnych koloidów i synchronizowania sprzężonych oscylatorów. Spodziewamy się, że interakcje pomiędzy cząsteczkami będą zależały od ich pozycji i faz, co umożliwi bogatsze zachowania zbiorowe – zachowania, które można zaprojektować i wykorzystać do zastosowań w roju robotów.

prof. Kyle Bishop

Badania nad aktywnymi koloidami mają na celu stworzenie mikro- i nanoskalowych cząstek, które pływają w lepkich płynach jak prymitywne organizmy. Wykazano, że cząsteczki te mogą się stabilnie przemieszczać dzięki tzw. obrocie Quinckego. Jest to fizyczny efekt na nieprzewodzących cząstkach w zawiesinie, które są wystawione na działanie pola elektrycznego.

Nasza niedawna obserwacja koloidalnych sfer oscylujących tam i z powrotem w stałym polu elektrycznym stanowiła pewną zagadkę, którą chcieliśmy rozwiązać. Zmieniając rozmiar cząstek, natężenie pola i przewodnictwo cieczy, zidentyfikowaliśmy warunki eksperymentalne niezbędne do powstania oscylacji i odkryliśmy mechanizm leżący u podstaw rytmicznej dynamiki cząstek.

Zhengyan Zhang, doktorant w laboratorium Bishopa, który odkrył ten efekt

Zespół eksperymentował z różnymi kształtami cząstek i odkrył, że może generować oscylacje z dowolnymi cząstkami, pod warunkiem, że ich rozmiar jest porównywalny z rozmiarem warstwy granicznej.

Ograniczona szybkość generowania ładunków w tych słabych elektrolitach tworzy warstwę graniczną porównywalną do wielkości cząstki pod silnym polem elektrycznym, co zostało stwierdzone numerycznie przez mojego doktoranta Hang Yuana, współautora pracy. W rezultacie „przewodność” jonów wokół cząstek, które znajdują się w obrębie dużej warstwy granicznej, nie jest stała, co prowadzi do obserwowanych oscylacji przy silnych polach elektrycznych.

Monica Olvera de la Cruz z Northwestern Engineering

Chcesz być na bieżąco z CHIP? Obserwuj nas w Google News