Créditos:Imagem: Cortesia dos pesquisadores
Micropartículas simples podem bater ritmicamente juntas, gerando uma corrente elétrica oscilante que pode ser usada para alimentar dispositivos microrobóticos.
Aproveitando-se de um fenômeno conhecido como comportamento emergente em microescala, os engenheiros do MIT projetaram micropartículas simples que podem gerar coletivamente um comportamento complexo, da mesma forma que uma colônia de formigas pode cavar túneis ou coletar alimentos.
Trabalhando juntas, as micropartículas podem gerar um relógio pulsante que oscila em uma frequência muito baixa. Essas oscilações podem ser aproveitadas para alimentar pequenos dispositivos robóticos, mostraram os pesquisadores.
“Além de ser interessante do ponto de vista da física, esse comportamento também pode ser traduzido em um sinal elétrico oscilatório embarcado, que pode ser muito poderoso na autonomia microrobótica. Existem muitos componentes elétricos que exigem uma entrada tão oscilatória”, diz Jingfan Yang, um recente destinatário de PhD do MIT e um dos principais autores do novo estudo.
As partículas usadas para criar o novo oscilador realizam uma reação química simples que permite que as partículas interajam umas com as outras através da formação e estouro de pequenas bolhas de gás. Sob as condições certas, essas interações criam um oscilador que se comporta como um relógio, batendo em intervalos de alguns segundos.
“Estamos tentando procurar regras ou recursos muito simples que você possa codificar em máquinas microrrobóticas relativamente simples, para levá-los a realizar coletivamente tarefas muito sofisticadas”, diz Michael Strano, professor de engenharia química da Carbon P. Dubbs no MIT.
Strano é o autor sênior do novo artigo, que aparece hoje na Nature Communications. Junto com Yang, Thomas Berrueta, um estudante de pós-graduação da Northwestern University orientado pelo professor Todd Murphey, é o principal autor do estudo.
Comportamento coletivo
Demonstrações de comportamento emergente podem ser vistas em todo o mundo natural, onde colônias de insetos, como formigas e abelhas, realizam feitos que um único membro do grupo nunca seria capaz de realizar.
“As formigas têm cérebros minúsculos e realizam tarefas cognitivas muito simples, mas coletivamente podem fazer coisas incríveis. Eles podem procurar comida e construir essas elaboradas estruturas de túneis”, diz Strano. “Físicos e engenheiros como eu querem entender essas regras porque isso significa que podemos fazer pequenas coisas que coletivamente realizam tarefas complexas.”
Neste estudo, os pesquisadores queriam projetar partículas que pudessem gerar movimentos rítmicos, ou oscilações, com uma frequência muito baixa. Até agora, a construção de micro-osciladores de baixa frequência exigia eletrônica sofisticada, cara e difícil de projetar, ou materiais especializados com química complexa.
As partículas simples que os pesquisadores projetaram para este estudo são discos tão pequenos quanto 100 mícrons de diâmetro. Os discos, feitos de um polímero chamado SU-8, têm uma placa de platina que pode catalisar a quebra do peróxido de hidrogênio em água e oxigênio.
Quando as partículas são colocadas na superfície de uma gota de peróxido de hidrogênio em uma superfície plana, elas tendem a viajar para o topo da gota. Nessa interface líquido-ar, eles interagem com quaisquer outras partículas encontradas lá. Cada partícula produz sua própria pequena bolha de oxigênio, e quando duas partículas se aproximam o suficiente para que suas bolhas interajam, as bolhas estouram, empurrando as partículas para longe umas das outras. Então, eles começam a formar novas bolhas, e o ciclo se repete várias vezes.
“Uma partícula por si só fica parada e não faz nada de interessante, mas através do trabalho em equipe, eles podem fazer algo incrível e útil, o que é realmente uma coisa difícil de alcançar em microescala”, diz Yang.
Os pesquisadores descobriram que duas partículas poderiam fazer um oscilador muito confiável, mas à medida que mais partículas fossem adicionadas, o ritmo seria alterado. No entanto, se eles adicionassem uma partícula ligeiramente diferente das outras, essa partícula poderia atuar como um “líder” que reorganizaria as outras partículas de volta em um oscilador rítmico.
Esta partícula líder é do mesmo tamanho que as outras partículas, mas tem um patch de platina um pouco maior, o que permite criar uma bolha de oxigênio maior. Isso permite que essa partícula se mova para o centro do grupo, onde coordena as oscilações de todas as outras partículas. Usando essa abordagem, os pesquisadores descobriram que poderiam criar osciladores contendo pelo menos 11 partículas.
Dependendo do número de partículas, esse oscilador bate em uma frequência de cerca de 0,1 a 0,3 hertz, que é da ordem dos osciladores de baixa frequência que governam funções biológicas, como andar e bater do coração.
Corrente oscilante
Os pesquisadores também mostraram que poderiam usar o batimento rítmico dessas partículas para gerar uma corrente elétrica oscilante. Para fazer isso, eles trocaram o catalisador de platina por uma célula de combustível feita de platina e rutênio ou ouro. A oscilação mecânica das partículas altera ritmicamente a resistência de uma extremidade à outra da célula a combustível, o que converte a tensão gerada pela célula a combustível em uma corrente oscilante.
“Como uma torneira pingando, os microdiscos catalíticos flutuando em uma interface líquida usam uma reação química para impulsionar o crescimento periódico e a liberação de bolhas de gás. O estudo mostra como essas dinâmicas oscilatórias podem ser aproveitadas para atuação mecânica e sinalização eletroquímica relevante para microrrobótica”, diz Kyle Bishop, professor de engenharia química da Universidade de Columbia, que não participou do estudo.
Gerar uma corrente oscilante em vez de uma constante pode ser útil para aplicações como alimentar pequenos robôs que podem andar. Os pesquisadores do MIT usaram essa abordagem para mostrar que poderiam alimentar um microatuador, que anteriormente era usado como pernas em um pequeno robô andante desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Cornell. A versão original era alimentada por um laser que tinha que ser apontado alternadamente em cada conjunto de pernas, para oscilar manualmente a corrente. A equipe do MIT mostrou que a corrente oscilante gerada por suas partículas poderia conduzir a atuação cíclica da perna microrobótica, usando um fio para transferir a corrente das partículas para o atuador.
“Isso mostra que essa oscilação mecânica pode se tornar uma oscilação elétrica e, em seguida, essa oscilação elétrica pode realmente alimentar atividades que um robô faria”, diz Strano.
Uma possível aplicação para esse tipo de sistema seria controlar enxames de minúsculos robôs autônomos que poderiam ser usados como sensores para monitorar a poluição da água.
A pesquisa foi financiada em parte pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation.
Publicado em 16/10/2022 07h34
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