哥伦比亚大学和东南大学的工程师利用电场来诱导大颗粒的振荡，这种运动有望用于开发微型机器人。这一研究领域旨在突破热力学平衡的限制，构建具备生物体同等能力的材料系统。研究者们正致力于创造能在稀薄液体中游动的微型和纳米级“颗粒”，这些粒子能像原始微生物一样自行推动，并在聚集时像鱼群一样协作行动，执行机器人任务，如导航复杂环境或将“货物”运送到指定位置。

由化学工程教授Kyle Bishop领导的哥伦比亚工程团队，在研究和设计由化学反应或外部磁场、电场及声场驱动的活性胶体动力学方面处于领先地位。该团队正在研发胶体机器人，其活性成分相互作用并组装，以执行灵感自活细胞的动态功能。

在最近发表于《物理评论快报》的研究中，Bishop团队与东南大学CBES中心合作，展示了如何利用直流电场使电边界层内的微粒来回振荡。这些振荡器可作为协调活性物质组织的时钟，甚至能够协调微米级机器人的功能。大颗粒振荡器使得新型活性物质结合了自我推进胶体的群集行为和耦合振荡器的同步行为，研究人员期望粒子间的相互作用依赖于它们的位置和相位，从而实现更丰富的集体行为，这些行为可以被设计并应用于蜂群机器人。

在微米尺度上制造可靠时钟并非易事。正如想象中的摆钟在蜂蜜中无法正常工作一样，所有惯性振荡器的周期性运动在足够摩擦力作用下都会停止。没有惯性的帮助，驱动粘性液体中微米级颗粒的振荡同样具有挑战性。

“我们最近发现胶体球体在直流电场中来回振荡，这是一个有待解答的谜题。”论文主要作者Zhang Zhengyan指出，他是Bishop实验室的博士生。“通过调整粒子大小、场强和流体导电性，我们确定了振荡所需的实验条件，并揭示了粒子有节奏动态的内在机制。”

早期研究显示，类似粒子可以通过Quincke旋转过程持续旋转。类似于从底部注入水流的水车，Quincke不稳定性由粒子表面电荷积累及其在电场中的机械旋转驱动。然而，现有的Quincke旋转和过阻尼水车模型未能预测振荡动力学。

这项新研究通过分析非极性电解质中的边界层来描述和解释这种“神秘”的振荡。在这一常被忽略的层内，电荷载体产生并随电场迁移，导致粒子表面电荷积累的空间不对称。就像水车的水桶在顶部漏水比在底部漏水更快一样，不对称充电可导致在强电场下的前后旋转。这项工作展示了一种产生振荡器的方法，这种振荡器可能促进流体中合作现象的发生。

研究团队用不同形状的颗粒进行了实验，发现只要颗粒尺寸与边界层尺寸相当，就可以产生振荡。通过调节场强和/或电解质，可以预测性地控制这些“昆克钟”的频率。Bishop表示：“我们的研究为基于移动振荡器集合的活性物质设计提供了新途径。”

目前，该团队正在探索多个昆克振荡器移动并相互作用时产生的集体行为。