一項漂浮粒子受聲波引導(dǎo)自組裝的簡單實驗為研究在外力作用下如何產(chǎn)生栩栩如生的行為提供了新的框架。
美國能源部勞倫斯伯克利公司實驗室的科學(xué)家演示了漂浮在甘油水溶液上層的粒子，是如何在計算機揚聲器發(fā)出的聲波作用下同步響應(yīng)的。
這一研究已發(fā)表在6月20日的自然材料雜志上，可幫助處理關(guān)于能量耗散的基本問題，并回答生命和非生命系統(tǒng)在未處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)時如何適應(yīng)環(huán)境的。
論文通訊作者、伯克利實驗室材料科學(xué)部門和加州大學(xué)伯克利分校資深科學(xué)家Xiang Zhang說道：“非均衡態(tài)下的動態(tài)自組裝不僅在物理學(xué)中很重要，在我們的生活世界中也很重要。然而，調(diào)節(jié)這一過程的基本原理只被部分所知。這一研究工作提供了研究和理解這種現(xiàn)象的一種簡單簡煉的平臺?！?span style="display:none">DBs菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時不關(guān)機的云端電腦_云主機_VPS掛機寶_免費掛機寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
據(jù)某些物理學(xué)家描述，這種具有不斷變化和發(fā)展能力特征的非均衡態(tài)正是生命的精髓，可用于生物系統(tǒng)中，從細(xì)胞到生態(tài)系統(tǒng)，以及某些非生物系統(tǒng)，比如天氣或者氣候模式。研究非均衡系統(tǒng)能使理論學(xué)家們更接近于理解生命——特別是智慧生命的產(chǎn)生。
Zhang說道，然而由于非均衡系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，因此非常復(fù)雜，難以研究。通常物理學(xué)家會傾向于研究穩(wěn)定和封閉系統(tǒng)中的現(xiàn)象。
研究共同作者、同一小組的博士后Chad Ropp說道：“我們證實單個‘惰性’粒子通過耗散能量能在遠(yuǎn)非均衡態(tài)下自組織，并表現(xiàn)出動態(tài)適應(yīng)和反應(yīng)周圍環(huán)境的集體特質(zhì)。在此情形下，粒子會跟隨計算機揚聲器發(fā)出的聲波的‘節(jié)奏’?！?span style="display:none">DBs菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時不關(guān)機的云端電腦_云主機_VPS掛機寶_免費掛機寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
值得注意的是，當(dāng)研究者故意打破聚集的粒子之后，分散粒子又會重新組裝，表現(xiàn)出了自愈能力。
Ropp強調(diào)道這一工作將最終催生大量“巧妙”應(yīng)用，比如對聲波和光波響應(yīng)的自適應(yīng)迷彩，或者是按需通過外部控制裝置寫入特定性質(zhì)的白板材料。
雖然先前已有研究表明粒子能夠在外力作用下自組裝，這一論文卻提供了一種通用框架，研究者可據(jù)此研究非均衡系統(tǒng)中的適應(yīng)機制。
另一位共同作者、同一小組的博士后Nicolas Bachelard說道：“我們工作的獨特之處在于我們能夠預(yù)測會發(fā)生什么，比如粒子會怎樣動作，這是意料之外的。”
在4kHz的聲波作用下，分散粒子以一分鐘1厘米的速度移動。在10分鐘內(nèi)，粒子的聚集模式開始出現(xiàn)，其中粒子之間的距離表現(xiàn)出意料之外的不一致性。研究者發(fā)現(xiàn)自組裝粒子具有聲子帶隙，即在這個頻率范圍內(nèi)的聲波無法通過，帶隙的邊緣與輸入4kHz緊密相關(guān)。
Bachelard說道：“單獨粒子中并不具備這一特性。只有當(dāng)粒子聚集組織之時才會出現(xiàn)這種特性，這就是為什么我們將其稱為非均衡條件下的結(jié)構(gòu)的突顯特性?！?span style="display:none">DBs菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時不關(guān)機的云端電腦_云主機_VPS掛機寶_免費掛機寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
這一實驗設(shè)計幾乎不可能有更簡單的了。針對聲波引導(dǎo)，研究者利用了2米長的亞克力管，包含5毫米深的甘油水溶液池。粒子由吸管制造而來，漂浮在一塊平坦塑料板上，聲源則是現(xiàn)成的計算機揚聲器，通過塑料漏斗將揚聲器與管子連接起來。測量聲波則是實驗中最具技術(shù)含量的部分。
Ropp說道：“在你自己的車庫里就能完成這一套實驗設(shè)備。這是一個非常便宜的實驗，部分設(shè)備在你家附近轉(zhuǎn)角的五金店里都能買到。有一次我們需要更大一點的吸管，所以我就出去買了一點珍珠奶茶。實驗設(shè)備雖然非常簡單，但卻完美地展示了物理。”
研究者稱，這個實驗主要針對聲波進(jìn)行研究，這是因為隔音材料比較容易得到，但觀測到的行為之下的原理可被用于任何波系統(tǒng)。
這一基礎(chǔ)研究能形成研發(fā)智能網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)簡單的非算法計算，有助于未來實現(xiàn)具有類似知覺的決策系統(tǒng)。
Ropp說道：“我想到了人造大腦，不同部位響應(yīng)不同頻率的‘腦波’，可塑可重構(gòu)?！?span style="display:none">DBs菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時不關(guān)機的云端電腦_云主機_VPS掛機寶_免費掛機寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
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