在整個自然界中，時常可以看到涌現行為的例子。比如，螞蟻和蜜蜂等昆蟲的腦很小，它們進行的都是相對簡單的認知任務，但它們的群落通過集體合作，卻可以完成一些單個成員永遠無法實現的壯舉。它們可以集體覓食，并建造出精心設計的巢穴結構。

物理學家和工程師想要了解這些規則，因為這意味著他們也可以制造出一些可以共同執行復雜任務的微小物體。

近日，一組工程師利用微尺度上的涌現行為，設計了能夠集體產生復雜行為的簡單微顆粒，這就好像一群螞蟻那樣。這些微顆粒共同工作，可以產生一個有節奏的時鐘，并以非常低的頻率振蕩。這些振蕩有望被利用來為微小的機器人設備提供動力。研究已于近日發發表在《自然 · 通訊》上。

集體行為

在這項新研究中，團隊希望設計出能夠產生低頻、有節奏的運動，或者叫振蕩顆粒。原先，建造低頻微型振蕩器都離不開復雜的電子裝置，那些裝置既昂貴，設計難度又大，或者需要具有復雜化學成分的專門材料。

他們制造出的簡單顆粒是直徑小到 100 微米的圓盤。這些圓盤由一種叫作SU-8的聚合物制成。它們上面都有一個鉑貼片，可以催化過氧化氫分解成水和氧氣。

這些顆粒進行了一種簡單的化學反應，讓顆粒通過微小氣泡的形成和爆裂而發生相互作用。在適當的條件下，這些相互作用產生了一種行為類似計時器的振蕩器，以幾秒鐘的間隔有節奏地運動。

當這些顆粒被放置在一個平面上過氧化氫液滴的表面時，它們傾向于向液滴頂部移動。在這處液體 - 空氣的界面，它們與那里的其他顆粒產生相互作用。每個顆粒都會產生自己的微小氧氣泡，當兩個顆粒靠近到它們的氣泡產生相互作用時，氣泡就會破裂，將顆粒推開。接著，它們開始形成新的氣泡，循環往復地重復這樣的過程。

單獨的一個顆粒看似不會發生任何有趣的事情，但通過 " 團隊合作 "，它們可以進行一些相當驚人且有用的事情，而這些原本在微尺度上是很難實現的。

視頻中左邊為兩個微顆粒的涌現行為，右邊為 8 個顆粒的情況。（視頻／MIT）

研究人員發現，兩個顆粒可以組成一種非常可靠的振蕩器，但隨著更多顆粒的加入，節奏就會被打亂。然而，如果他們加入一個與眾不同的顆粒，這個顆粒則可以作為一個 " 領導者 "，將其他顆粒重新組織成一種有節奏的振蕩器。

這個領導顆粒與其他顆粒大小相同，但帶有一個略大一些的鉑貼片，這讓它可以造出一個更大的氧氣泡。這個顆粒因此能夠移動到群體的中心，它在那里協調其他所有顆粒的振蕩。借助這種方法，研究人員發現，他們可以創建包含至少 11 個顆粒的振蕩器。

這種振蕩器的頻率約為 0.1 至 0.3 赫茲，具體取決于顆粒的數量，這與支配生物功能（比如行走和心臟跳動）的低頻振蕩器很相似。

振蕩電流

研究還表明，可以利用這些顆粒的有節奏地運動，來產生振蕩電流。研究人員把鉑催化劑換成了由鉑和釕或金制成的燃料電池。顆粒的機械振蕩有節奏地改變著從電池一端到另一端的電阻，從而將燃料電池產生的電壓轉換成了振蕩電流。

也就是說，這種行為不僅從物理研究的角度來看是有趣的，它也能轉化為機載振蕩的電信號，產生振蕩的電流而非恒定電流。有許多電氣元件都需要這樣的振蕩輸入，這在微型機器人的自主性方面可以發揮相當強大的作用。

團隊正在試圖尋找非常簡單的規則或特征，可以將它編碼到相對簡單的微型機器人機器中，讓它們共同完成非常復雜的任務。比如，一種可能的應用是控制成群的微小自主機器人，它們可以作為傳感器來監測水污染。