在整個(gè)自然界中，時(shí)常可以看到涌現(xiàn)行為的例子。比如，螞蟻和蜜蜂等昆蟲的腦很小，它們進(jìn)行的都是相對(duì)簡(jiǎn)單的認(rèn)知任務(wù)，但它們的群落通過集體合作，卻可以完成一些單個(gè)成員永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的壯舉。它們可以集體覓食，并建造出精心設(shè)計(jì)的巢穴結(jié)構(gòu)。

物理學(xué)家和工程師想要了解這些規(guī)則，因?yàn)檫@意味著他們也可以制造出一些可以共同執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的微小物體。

近日，一組工程師利用微尺度上的涌現(xiàn)行為，設(shè)計(jì)了能夠集體產(chǎn)生復(fù)雜行為的簡(jiǎn)單微顆粒，這就好像一群螞蟻那樣。這些微顆粒共同工作，可以產(chǎn)生一個(gè)有節(jié)奏的時(shí)鐘，并以非常低的頻率振蕩。這些振蕩有望被利用來為微小的機(jī)器人設(shè)備提供動(dòng)力。研究已于近日發(fā)發(fā)表在《自然 · 通訊》上。

集體行為

在這項(xiàng)新研究中，團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生低頻、有節(jié)奏的運(yùn)動(dòng)，或者叫振蕩顆粒。原先，建造低頻微型振蕩器都離不開復(fù)雜的電子裝置，那些裝置既昂貴，設(shè)計(jì)難度又大，或者需要具有復(fù)雜化學(xué)成分的專門材料。

他們制造出的簡(jiǎn)單顆粒是直徑小到 100 微米的圓盤。這些圓盤由一種叫作SU-8的聚合物制成。它們上面都有一個(gè)鉑貼片，可以催化過氧化氫分解成水和氧氣。

這些顆粒進(jìn)行了一種簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，讓顆粒通過微小氣泡的形成和爆裂而發(fā)生相互作用。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些相互作用產(chǎn)生了一種行為類似計(jì)時(shí)器的振蕩器，以幾秒鐘的間隔有節(jié)奏地運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)這些顆粒被放置在一個(gè)平面上過氧化氫液滴的表面時(shí)，它們傾向于向液滴頂部移動(dòng)。在這處液體 - 空氣的界面，它們與那里的其他顆粒產(chǎn)生相互作用。每個(gè)顆粒都會(huì)產(chǎn)生自己的微小氧氣泡，當(dāng)兩個(gè)顆粒靠近到它們的氣泡產(chǎn)生相互作用時(shí)，氣泡就會(huì)破裂，將顆粒推開。接著，它們開始形成新的氣泡，循環(huán)往復(fù)地重復(fù)這樣的過程。

單獨(dú)的一個(gè)顆粒看似不會(huì)發(fā)生任何有趣的事情，但通過 " 團(tuán)隊(duì)合作 "，它們可以進(jìn)行一些相當(dāng)驚人且有用的事情，而這些原本在微尺度上是很難實(shí)現(xiàn)的。

視頻中左邊為兩個(gè)微顆粒的涌現(xiàn)行為，右邊為 8 個(gè)顆粒的情況。（視頻／MIT）

研究人員發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)顆粒可以組成一種非常可靠的振蕩器，但隨著更多顆粒的加入，節(jié)奏就會(huì)被打亂。然而，如果他們加入一個(gè)與眾不同的顆粒，這個(gè)顆粒則可以作為一個(gè) " 領(lǐng)導(dǎo)者 "，將其他顆粒重新組織成一種有節(jié)奏的振蕩器。

這個(gè)領(lǐng)導(dǎo)顆粒與其他顆粒大小相同，但帶有一個(gè)略大一些的鉑貼片，這讓它可以造出一個(gè)更大的氧氣泡。這個(gè)顆粒因此能夠移動(dòng)到群體的中心，它在那里協(xié)調(diào)其他所有顆粒的振蕩。借助這種方法，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以創(chuàng)建包含至少 11 個(gè)顆粒的振蕩器。

這種振蕩器的頻率約為 0.1 至 0.3 赫茲，具體取決于顆粒的數(shù)量，這與支配生物功能（比如行走和心臟跳動(dòng)）的低頻振蕩器很相似。

振蕩電流

研究還表明，可以利用這些顆粒的有節(jié)奏地運(yùn)動(dòng)，來產(chǎn)生振蕩電流。研究人員把鉑催化劑換成了由鉑和釕或金制成的燃料電池。顆粒的機(jī)械振蕩有節(jié)奏地改變著從電池一端到另一端的電阻，從而將燃料電池產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換成了振蕩電流。

也就是說，這種行為不僅從物理研究的角度來看是有趣的，它也能轉(zhuǎn)化為機(jī)載振蕩的電信號(hào)，產(chǎn)生振蕩的電流而非恒定電流。有許多電氣元件都需要這樣的振蕩輸入，這在微型機(jī)器人的自主性方面可以發(fā)揮相當(dāng)強(qiáng)大的作用。

團(tuán)隊(duì)正在試圖尋找非常簡(jiǎn)單的規(guī)則或特征，可以將它編碼到相對(duì)簡(jiǎn)單的微型機(jī)器人機(jī)器中，讓它們共同完成非常復(fù)雜的任務(wù)。比如，一種可能的應(yīng)用是控制成群的微小自主機(jī)器人，它們可以作為傳感器來監(jiān)測(cè)水污染。