Micropartículas laten rítmicamente, generando una corriente eléctrica oscilante

Aprovechando un fenómeno conocido como comportamiento emergente en microescala, ingenieros del MIT han diseñado micropartículas simples que colectivamente pueden generar un comportamiento complejo, de la misma manera que una colonia de hormigas puede cavar túneles o recolectar comida.

Trabajando juntas, las micropartículas pueden generar un reloj que late a una frecuencia muy baja.

Estas oscilaciones se pueden aprovechar para alimentar pequeños dispositivos robóticos, mostraron los investigadores.

“Además de ser interesante desde el punto de vista de la física, este comportamiento también se puede traducir en una señal eléctrica oscilatoria a bordo, que puede ser muy poderosa en la autonomía microrobótica.

Hay muchos componentes eléctricos que requieren una entrada tan oscilatoria”, dice Jingfan Yang, un reciente doctorado del MIT y uno de los autores principales del nuevo estudio.

Las partículas utilizadas para crear el nuevo oscilador realizan una reacción química simple que permite que las partículas interactúen entre sí a través de la formación y explosión de pequeñas burbujas de gas.

Bajo las condiciones adecuadas, estas interacciones crean un oscilador que se comporta de manera similar a un reloj, latiendo a intervalos de unos pocos segundos.

“Estamos tratando de buscar reglas o características muy simples que se puedan codificar en máquinas microrobóticas relativamente simples, para lograr que realicen colectivamente tareas muy sofisticadas”, dice Michael Strano, profesor de ingeniería química Carbon P. Dubbs en el MIT.

Se pueden ver demostraciones de comportamiento emergente en todo el mundo natural, donde colonias de insectos como hormigas y abejas logran hazañas que un solo miembro del grupo nunca podría lograr.

“Las hormigas tienen cerebros minúsculos y realizan tareas cognitivas muy simples, pero colectivamente pueden hacer cosas asombrosas.

Pueden buscar comida y construir estas elaboradas estructuras de túneles”, dice Strano.

“Los físicos e ingenieros como yo queremos entender estas reglas porque significa que podemos hacer cosas diminutas que colectivamente realizan tareas complejas”.

En este estudio, los investigadores querían diseñar partículas que pudieran generar movimientos rítmicos, u oscilaciones, con una frecuencia muy baja.

Hasta ahora, la construcción de microosciladores de baja frecuencia ha requerido una electrónica sofisticada que es costosa y difícil de diseñar, o materiales especializados con químicas complejas.

Las partículas simples que los investigadores diseñaron para este estudio son discos tan pequeños como 100 micrones de diámetro.

Los discos, hechos de un polímero llamado SU-8, tienen un parche de platino que puede catalizar la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno.

Cuando las partículas se colocan en la superficie de una gota de peróxido de hidrógeno sobre una superficie plana, tienden a viajar hasta la parte superior de la gota.

En esta interfaz líquido-aire, interactúan con cualquier otra partícula que se encuentre allí.

Cada partícula produce su propia burbuja diminuta de oxígeno, y cuando dos partículas se acercan lo suficiente como para que sus burbujas interactúen, las burbujas explotan y las alejan unas de otras.

Luego, comienzan a formar nuevas burbujas y el ciclo se repite una y otra vez.

“Una partícula por sí sola se queda quieta y no hace nada interesante, pero a través del trabajo en equipo, pueden hacer algo bastante sorprendente y útil, que en realidad es algo difícil de lograr a microescala”, dice Yang.

Los investigadores descubrieron que dos partículas podían formar un oscilador muy fiable, pero a medida que se añadían más partículas, el ritmo se desviaba.

Sin embargo, si agregaran una partícula que fuera ligeramente diferente de las demás, esa partícula podría actuar como un “líder” que reorganizaría a las otras partículas en un oscilador rítmico.

Esta partícula líder tiene el mismo tamaño que las otras partículas, pero tiene un parche de platino un poco más grande, lo que le permite crear una burbuja de oxígeno más grande.

Esto permite que esta partícula se mueva al centro del grupo, donde coordina las oscilaciones de todas las demás partículas.

Usando este enfoque, los investigadores descubrieron que podían crear osciladores que contenían hasta al menos 11 partículas.

Dependiendo del número de partículas, este oscilador late a una frecuencia de alrededor de 0,1 a 0,3 hercios, que es del orden de los osciladores de baja frecuencia que gobiernan funciones biológicas como caminar y los latidos del corazón.

Los investigadores también demostraron que podían usar el latido rítmico de estas partículas para generar una corriente eléctrica oscilante.

Para hacer eso, cambiaron el catalizador de platino por una celda de combustible hecha de platino y rutenio u oro.

La oscilación mecánica de las partículas altera rítmicamente la resistencia de un extremo de la celda de combustible al otro, lo que convierte el voltaje generado por la celda de combustible en una corriente oscilante.

“Al igual que un grifo que gotea, los microdiscos catalíticos que flotan en una interfaz líquida usan una reacción química para impulsar el crecimiento periódico y la liberación de burbujas de gas.

El estudio muestra cómo se puede aprovechar esta dinámica oscilatoria para la activación mecánica y la señalización electroquímica relevante para la microrrobótica”, dice Kyle Bishop, profesor de ingeniería química en la Universidad de Columbia, que no participó en el estudio.

Generar una corriente oscilante en lugar de una constante podría ser útil para aplicaciones como alimentar pequeños robots que pueden caminar.

Los investigadores del MIT utilizaron este enfoque para demostrar que podían alimentar un microaccionador, que anteriormente se usaba como patas en un pequeño robot andante desarrollado por investigadores de la Universidad de Cornell.

La versión original funcionaba con un láser que tenía que apuntar alternativamente a cada par de patas para hacer oscilar manualmente la corriente.

El equipo del MIT demostró que la corriente oscilante a bordo generada por sus partículas podría impulsar la actuación cíclica de la pata microrrobótica, utilizando un cable para transferir la corriente de las partículas al actuador.

“Muestra que esta oscilación mecánica puede convertirse en una oscilación eléctrica, y luego esa oscilación eléctrica puede impulsar actividades que haría un robot“, dice Strano.

Una posible aplicación para este tipo de sistema sería controlar enjambres de pequeños robots autónomos que podrían usarse como sensores para monitorear la contaminación del agua.

Fuente: MIT News