微尺度上的涌现行为

在整个自然界中，时常可以看到涌现行为的例子。比如，蚂蚁和蜜蜂等昆虫的脑很小，它们进行的都是相对简单的认知任务，但它们的群落通过集体合作，却可以完成一些单个成员永远无法实现的壮举。它们可以集体觅食，并建造出精心设计的巢穴结构。

物理学家和工程师想要了解这些规则，因为这意味着他们也可以制造出一些可以共同执行复杂任务的微小物体。

近日，一组工程师利用微尺度上的涌现行为，设计了能够集体产生复杂行为的简单微颗粒，这就好像一群蚂蚁那样。这些微颗粒共同工作，可以产生一个有节奏的时钟，并以非常低的频率振荡。这些振荡有望被利用来为微小的机器人设备提供动力。研究已于近日发发表在《自然 · 通讯》上。

集体行为

在这项新研究中，团队希望设计出能够产生低频、有节奏的运动，或者叫振荡颗粒。原先，建造低频微型振荡器都离不开复杂的电子装置，那些装置既昂贵，设计难度又大，或者需要具有复杂化学成分的专门材料。

他们制造出的简单颗粒是直径小到 100 微米的圆盘。这些圆盘由一种叫作SU-8的聚合物制成。它们上面都有一个铂贴片，可以催化过氧化氢分解成水和氧气。

这些颗粒进行了一种简单的化学反应，让颗粒通过微小气泡的形成和爆裂而发生相互作用。在适当的条件下，这些相互作用产生了一种行为类似计时器的振荡器，以几秒钟的间隔有节奏地运动。

当这些颗粒被放置在一个平面上过氧化氢液滴的表面时，它们倾向于向液滴顶部移动。在这处液体 - 空气的界面，它们与那里的其他颗粒产生相互作用。每个颗粒都会产生自己的微小氧气泡，当两个颗粒靠近到它们的气泡产生相互作用时，气泡就会破裂，将颗粒推开。接着，它们开始形成新的气泡，循环往复地重复这样的过程。

单独的一个颗粒看似不会发生任何有趣的事情，但通过 " 团队合作 "，它们可以进行一些相当惊人且有用的事情，而这些原本在微尺度上是很难实现的。

视频中左边为两个微颗粒的涌现行为，右边为 8 个颗粒的情况。（视频／MIT）

研究人员发现，两个颗粒可以组成一种非常可靠的振荡器，但随着更多颗粒的加入，节奏就会被打乱。然而，如果他们加入一个与众不同的颗粒，这个颗粒则可以作为一个 " 领导者 "，将其他颗粒重新组织成一种有节奏的振荡器。

这个领导颗粒与其他颗粒大小相同，但带有一个略大一些的铂贴片，这让它可以造出一个更大的氧气泡。这个颗粒因此能够移动到群体的中心，它在那里协调其他所有颗粒的振荡。借助这种方法，研究人员发现，他们可以创建包含至少 11 个颗粒的振荡器。

这种振荡器的频率约为 0.1 至 0.3 赫兹，具体取决于颗粒的数量，这与支配生物功能（比如行走和心脏跳动）的低频振荡器很相似。

振荡电流

研究还表明，可以利用这些颗粒的有节奏地运动，来产生振荡电流。研究人员把铂催化剂换成了由铂和钌或金制成的燃料电池。颗粒的机械振荡有节奏地改变着从电池一端到另一端的电阻，从而将燃料电池产生的电压转换成了振荡电流。

也就是说，这种行为不仅从物理研究的角度来看是有趣的，它也能转化为机载振荡的电信号，产生振荡的电流而非恒定电流。有许多电气元件都需要这样的振荡输入，这在微型机器人的自主性方面可以发挥相当强大的作用。

团队正在试图寻找非常简单的规则或特征，可以将它编码到相对简单的微型机器人机器中，让它们共同完成非常复杂的任务。比如，一种可能的应用是控制成群的微小自主机器人，它们可以作为传感器来监测水污染。