Ces bioingénieurs du Massachusetts Institute of Technologie (MIT, Cambridge) font travailler ensemble, comme une armée de fournis, de simples microparticules, qui coordonnées induisent un comportement de groupe puissant, nommé « comportement émergent à l'échelle microscopique ». Ces travaux, publiés dans la revue Nature Communications, montrent qu’il est possible de faire battre ensemble et en rythme ces microparticules, de générer ainsi un courant électrique oscillant suffisamment puissant pour alimenter des dispositifs microrobotiques utilisés comme capteurs pour surveiller certains biomarqueurs ou encore la qualité de l’eau.
Ces microparticules simples sont capables collectivement d’un comportement complexe, de la même manière qu'une colonie de fourmis, qui peut, par exemple, creuser des tunnels ou stocker de la nourriture.
Les microparticules induisent ensemble une réaction puissante
L’étude : les microparticules ont été conçues pour constituer, ensemble, une sorte d’horloge qui oscille à très basse fréquence. Ces oscillations peuvent ensuite être exploitées pour alimenter de minuscules appareils robotiques.
« En plus d'être intéressant du point de vue de la physique fondamentale, ce comportement peut aussi induire un signal électrique oscillatoire embarqué, puissant, autonome et adapté à la microrobotique. De nombreux composants électriques auraient besoin de ce type de signal électrique oscillatoire », explique Jingfan Yang, l’un des auteurs principaux, chercheur au MIT.
Les microparticules opèrent ensemble une réaction chimique simple qui permet aux particules d'interagir les unes avec les autres par la formation et l'éclatement de minuscules bulles de gaz. Lorsque les conditions sont réunies, ces interactions forment un oscillateur qui se comporte comme une horloge battant à des intervalles de quelques secondes.
Le comportement émergent, un phénomène naturel : la nature inspire une nouvelle fois ce développement. En effet ce phénomène peut être observé dans la nature où des colonies d'insectes tels que des fourmis et des abeilles accomplissent des exploits qu'un seul membre du groupe ne serait jamais capable de réaliser :
« Les fourmis ont un cerveau minuscule et elles effectuent des tâches cognitives très simples, mais collectivement, elles peuvent faire des choses incroyables. Les physiciens et les ingénieurs cherchent à comprendre ces mécanismes qui permettent d’accomplir collectivement des tâches complexes ».
Un travail d’équipe : jusqu'à présent, la construction de micro-oscillateurs basse fréquence nécessitait une électronique sophistiquée, coûteuse et difficile à concevoir, ou des matériaux spécialisés avec des procédés chimiques complexes. Ces disques aussi petits que 100 microns de diamètre, fabriqués à partir d'un polymère appelé SU-8, ont été dotés d’un patch en platine capable de catalyser la décomposition du peroxyde d'hydrogène en eau et en oxygène. Ainsi, lorsque les particules sont placées à la surface d'une goutte de peroxyde d'hydrogène sur une surface plane, elles ont tendance à se déplacer vers le haut de la goutte. A cette interface liquide-air, elles interagissent alors avec toutes les autres particules à proximité. Chaque particule produit sa propre minuscule bulle d'oxygène, et lorsque deux particules se rapprochent suffisamment pour que leurs bulles interagissent, les bulles éclatent, éloignant les particules l'une de l'autre. Ensuite, elles recommencent à former de nouvelles bulles et le cycle se répète encore et encore. Grâce à ces interactions équivalant à un « travail d'équipe », toutes ces microparticules peuvent ainsi réaliser une tâche utile, qui serait impossible à l'échelle microscopique.
Des implications en microrobotique et en santé : les chercheurs montrent qu’une particule légèrement différente des autres pourrait agir comme un « leader » qui organise les autres particules en un oscillateur rythmique. Il parviennent ainsi à créer des oscillateurs contenant jusqu'à au moins 11 particules qui battent à une fréquence d'environ 0,1 à 0,3 hertz, ce qui est de l'ordre des oscillateurs basse fréquence qui régissent les fonctions biologiques telles que la marche et les battements du cœur. Ce battement rythmique génère un courant électrique oscillant, un courant qui pourrait être précieux pour l’alimentation de minuscules robots capables de marcher ou utilisables comme capteurs pour surveiller certains biomarqueurs biologiques ou encore la pollution de l'eau.
Source: Nature Communications 13 Oct, 2022 DOI: 10.1038/s41467-022-33396-5 Emergent microrobotic oscillators via asymmetry-induced order
