金ナノ粒子と温度応答性ポリマーを用いたアリ群知能の物理実装

使用金纳米粒子和温度响应聚合物物理实现蚂蚁群智能

• 批准号: 22KJ2707
• 负责人: 中山 牧水
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Kyoto University (2023)Keio University (2022)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2707/
• 关键词: 群知能; アクティブコロイド; 相変化材料

本研究ではアリコロニー最適化にインスパイアされたナチュラルコンピュータの開発を目指す。研究開始時においては、金ナノ粒子の光熱効果によって環境の温度相転移ポリマーをゾル化し低粘度化する過程を、アリがフェロモンを塗布するプロセスに対応させ、粒子間にフェロモン相互作用を実装する想定であった。しかし適切な粘度設定(ポリマー濃度に依存する)が困難であったことやアリの運動性を反映する物理現象が欠如していることが判明し、方針を改めることにした。新たなスキームとして、異質材料で構成されるヤヌス粒子と固体相変化材料Ge2Sb2Te5(GST)を用いることを提案し方針転換した。金属と誘電体で構成されるヤヌス粒子は交流電界を印加すると、粒子表面に発生する非対称な電気浸透流により液中にて自己推進運動を示す。これをアリの自律的な運動に対応させる。またGSTはアモルファス相と結晶相の2状態を有し、これらの間を可逆的に相変化させることができる。例えばアモルファス相をフェロモンが無い状態、結晶相をフェロモンが有る状態に対応させることができる。アモルファス状態をアニールすると結晶相に変化し、この過程で電気抵抗率が低下し交流電気浸透流が発生する。この浸透流によってフェロモン誘引を導入する。以上のスキームによって、コロイド粒子間にフェロモン相互作用が実装された。また交流電界周波数依存性を利用することで、フェロモン感度をコントロールすることができ、結果的に異なる集団運動状態の創発が確認された。

这项研究旨在开发一种受蚁群优化启发的自然计算机。研究之初，假设金纳米颗粒的光热效应会导致环境中的温度相变聚合物变成溶胶并降低其粘度以适应蚂蚁施加信息素的过程，从而实现颗粒之间的信息素相互作用是的。然而，我们发现很难设定合适的粘度（取决于聚合物浓度），并且缺乏反映蚂蚁运动的物理现象，因此我们决定改变我们的方法。作为一个新的方案，我们提出使用由异质材料和固态相变材料Ge2Sb2Te5（GST）组成的Janus粒子，并改变了我们的政策。当施加交流电场时，由金属和电介质组成的 Janus 颗粒由于颗粒表面产生的不对称电渗流而在液体中表现出自推进运动。这对应于蚂蚁的自主运动。此外，GST具有两种状态，非晶相和结晶相，并且可以在这些状态之间经历可逆的相变。例如，可以使非晶相对应于不存在信息素的状态，并且可以使结晶相对应于存在信息素的状态。当非晶态退火时，它会转变为晶相，在此过程中，电阻率降低并发生交流电渗流。这种渗透流引入了信息素吸引力。通过上述方案，实现了胶体颗粒之间的信息素相互作用。此外，通过利用交流电场的频率依赖性，可以控制信息素敏感性，结果证实了不同集体运动状态的出现。

项目成果

Tunable Pheromone Interactions among Microswimmers self-propelling on a PCM Substrate

PCM 基板上自推进微型游泳者之间可调节信息素相互作用

• 发表时间: 2022
• 作者: Bokusui Nakayama;Hikaru Nagase;Hiromori Takahashi;Yuta Saito;Shogo Hatayama;Kotaro Makino;Eiji Yamamoto;and Toshiharu Saiki
• 通讯作者: and Toshiharu Saiki

相変化材料とコロイド粒子を用いたアリ群フェロモン相互作用の模倣

使用相变材料和胶体颗粒模拟蚁群信息素相互作用

• 发表时间: 2022
• 作者: 中山 牧水;高橋 廣守;長瀬 輝;齊藤 雄太;畑山 祥吾;山本 詠士;斎木 敏治
• 通讯作者: 斎木 敏治

Tunable pheromone interactions among microswimmers self-propelling on a phase change material substrate

在相变材料基底上自推进的微型游泳器之间可调节的信息素相互作用

• 发表时间: 2022
• 作者: Bokusui Nakayama;Hikaru Nagase;Hiromori Takahashi;Yuta Saito;Shogo Hatayama;Kotaro Makino;Eiji Yamamoto;and Toshiharu Saiki
• 通讯作者: and Toshiharu Saiki

Mimicking the Pheromone Communication of Ant Swarm with Colloids and Phase Change Material

用胶体和相变材料模拟蚁群的信息素通讯

• 发表时间: 2022
• 作者: Bokusui Nakayama;Hiromori Takahashi;Hikaru Nagase;and Toshiharu Saiki
• 通讯作者: and Toshiharu Saiki

アクティブコロイド間へのフェロモン相互作用実装による集団運動の創発

通过活性胶体之间的信息素相互作用出现集体运动