Их исследование «Сотрудничество и завершение между активными листами для самоходных частиц» было опубликовано на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences. Главный следователь – Анна С. Балаш Иоанн А. Заведующий кафедрой Свонсона и заслуженный профессор химической и нефтяной инженерии в школе Свонсона. Ведущий автор – Абхраджит Ласкар, соавтор – Олег Э. Шкляев, оба аспиранта.
В преддверии этой работы д-р. Балаш и др. Использовали компьютерное моделирование для разработки химически активных листов, которые могли оборачиваться, взмахивать и ползать в заполненной жидкостью микрокамере, используя потенциал для создания гибких или «мягких» роботов для жидких сред. Для статьи PNAS исследователи разработали жидкостные системы, которые придают покрытым катализатором листам форму, напоминающую краба с четырьмя «когтями», создавая хищника, который может химически «охотиться» на свою частичную добычу.
«По мере того, как мы разрабатываем будущую робототехнику и интеллектуальные устройства, важно понимать пределы имитации биологических функций в машинах, созданных руками человека. Также очень важно понимать, могут ли искусственные системы сотрудничать или конкурировать за ресурсы », – сказал доктор.
Балаш объяснил. "Если мы сможем воспроизвести эту взаимозависимость, мы сможем помочь создать основу для совместной работы роботов или других устройств для достижения общей цели."
Чтобы повлиять на это поведение, Балаш и ее сотрудники использовали катализатор на листах для преобразования реагентов в продукты в микрокамере. Эта реакция создает изменения в химическом составе и плотности жидкости, которые превращают двумерные листы в трехмерных «крабов» и толкают как крабов, так и частицы в жидкости. Поскольку крабы создают химические градиенты в одной области, частицы реагируют, пытаясь «убежать» из этой области, образуя сильно взаимозависимую систему.
Эта взаимозависимость также повлияла на окружающую среду, когда в жидкость был добавлен второй краб – как только был введен реагент, два краба имитировали взаимодействие, чтобы «поделиться» частицами. Однако, если бы был представлен более крупный краб, он бы конкурировал с меньшими формами, чтобы захватить все частицы для себя.
«В некоторых случаях большой краб не может улавливать мелкие частицы, но когда мы добавляем больше крабов, они, кажется, сотрудничают, как стая волков», – сказал доктор. Шкляев объясняет. «Точно так же, когда в микрокамеру входит еще более крупный хищник,« голод », который он генерирует с большей площадью каталитической поверхности, будет доминировать над поведением более мелких хищников."
Доктор. Ласкар говорит, что простота этой системы заключается в том, что единственное необходимое программирование – это введение химического реагента в систему.
«После того, как мы добавили реагент в микрокамеру, все биомиметическое поведение произошло спонтанно», – сказал он. "Затем мы можем настроить степень, в которой частицы реагируют на химические градиенты, потому что разные частицы будут реагировать по-разному. Таким образом, изменение свойства даже одного типа объекта изменяет взаимозависимость всей системы."
По словам доктора.
Балаш, новые результаты указывают на способность контролировать активность внутри микрокамеры в пространстве и времени, тем самым позволяя листам реагировать на различные команды только путем изменения реагентов, добавленных в раствор.
«Наши расчеты показывают способность направлять микроскопические объекты для выполнения определенных функций, таких как транспортировка клеток или построение сложных структур», – сказала она. «Эти правила проектирования могут разнообразить функциональность микрофлюидных устройств, позволяя им выполнять значительно более сложные задачи."