Gdy obiekty samobieżne wchodzą ze sobą w interakcje, mogą wystąpić interesujące zjawiska. Ptaki dopasowują się do siebie, gdy gromadzą się razem. Ludzie na koncercie spontanicznie tworzą wiry, gdy szturchają się i wpadają na siebie. Mrówki ogniste współpracują ze sobą, tworząc tratwy, które unoszą się na powierzchni wody.
Podczas gdy wiele z tych interakcji zachodzi poprzez bezpośredni kontakt, jak popychanie słuchaczy koncertów, niektóre interakcje mogą przenosić się przez materiał, na którym znajdują się obiekty – są to znane interakcje pośrednie. Na przykład most, na którym znajdują się piesi, może przenosić wibracje, jak w słynnej instancji „chwiejnego mostu” Millennium Bridge.
Podczas gdy wyniki bezpośrednich interakcji (takich jak popychanie) cieszą się coraz większym zainteresowaniem i badaniami, a wyniki pośrednich interakcji poprzez mechanizmy takie jak wzrok są dobrze zbadane, naukowcy wciąż uczą się o pośrednich interakcjach mechanicznych (na przykład, w jaki sposób dwie toczące się piłki mogą wpływać na wzajemnego ruchu na trampolinie poprzez wcinanie się w powierzchnię trampoliny swoim ciężarem, wywierając w ten sposób siły mechaniczne bez dotykania).
Fizycy używają małych robotów kołowych, aby lepiej zrozumieć te pośrednie interakcje mechaniczne, ich rolę w aktywnej materii i jak możemy je kontrolować. Ich odkrycia, “Field-mediated lokomotor dynamics on wysoce odkształcalnych powierzchniach” zostały niedawno opublikowane w The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
W artykule, prowadzonym przez Shengkai Li, byłego dr. student School of Physics at Georgia Tech, obecnie pracownik Center for the Physics of Biological Function (CPBF) na Uniwersytecie Princeton, naukowcy wykazali, że aktywna materia na odkształcalnych powierzchniach może oddziaływać z innymi poprzez siłę bezkontaktową – a następnie stworzyli model umożliwienie kontroli zbiorowego zachowania poruszających się obiektów na odkształcalnych powierzchniach poprzez proste zmiany w inżynierii robotów.
Współautorami są współautorzy Georgia Tech School of Physics Daniel Goldman, profesor rodziny Dunn; Gongjie Li, adiunkt; i absolwent Hussain Gynai – wraz z Pablo Laguną i Gabriellą Small (Uniwersytet Teksasu w Austin), Yasemin Ozkan-Aydin (Uniwersytet Notre Dame), Jennifer Rieser (Uniwersytet Emory), Charles Xiao (Uniwersytet Kalifornijski, Santa Barbara) .
Znaczenie tych badań rozciąga się od biologii po ogólną teorię względności. „Mapowanie do ogólnych systemów relatywistycznych jest przełomem w łączeniu pola ogólnej dynamiki relatywistycznej i materii aktywnej” – wyjaśnił Li z Georgia Tech. „Otwiera nowe okno, aby lepiej zrozumieć właściwości dynamiczne w obu polach”.
„Nasza praca jest pierwszą, która wprowadza pogląd, że aktywny system materii może zostać przekształcony w dynamiczną geometrię czasoprzestrzenną – iw ten sposób zyskać zrozumienie systemu poprzez zapożyczenie narzędzi ogólnej teorii względności Einsteina” – dodał Laguna.
Ustawianie sceny
Naukowcy zbudowali roboty, które poruszały się ze stałą prędkością po płaskim, równym terenie. Roboty te, napotykając powierzchnię z zagłębieniami i zakrętami, utrzymywały stałą prędkość poprzez zmianę orientacji i skręcanie. Wielkość, o którą robot obrócił, wynikała z tego, jak strome było zbocze lub zakręt.
Gdy roboty te zostały umieszczone na okrągłej, podobnej do trampoliny powierzchni, naukowcy byli w stanie monitorować, w jaki sposób roboty obracały się w odpowiedzi na zmieniającą się powierzchnię, ponieważ podczas ruchu tworzyły nowe zagłębienia w powierzchni, przygniatając ją swoim ciężarem. System napowietrzny śledził postępy robotów na trampolinie, rejestrując ich kursy.
Naukowcy rozpoczęli od przetestowania, w jaki sposób tylko jeden robot może poruszać się po trampolinie, i odkryli, że mogą skonstruować model matematyczny, aby przewidzieć, jak pojazd będzie się poruszał. Używając narzędzi z ogólnej teorii względności do mapowania orbit na ruch w zakrzywionej czasoprzestrzeni, wykazali, że można jakościowo zmienić precesję, zmniejszając masę pojazdu. Model ten wyjaśnia właściwość orbity: w jaki sposób ruch „pętli” pokazany tutaj na filmie zespołu (precesja aphelium) zależy od warunków początkowych i centralnego zagłębienia trampoliny.
„Byliśmy podekscytowani i rozbawieni, że ścieżki, które obrał robot – poprzedzające elipsy – wyglądały bardzo podobnie do tych śledzonych przez ciała niebieskie, takie jak Mars, i wyjaśnione przez teorię ogólnej teorii względności Einsteina” – powiedział Goldman z Georgia Tech Physics.
Interakcje z wieloma robotami
Gdy do trampoliny dodano więcej robotów, naukowcy odkryli, że deformacje spowodowane ciężarem każdego robota zmieniły ich trajektorię na trampolinie. Zobacz, co dzieje się w tym momencie w filmie.
Naukowcy postawili hipotezę, że zwiększenie prędkości robotów poprzez zmianę nachylenia ciała robota może pomóc złagodzić obserwowane przez nich kolizje. Po kilku testach z dwoma pojazdami byli w stanie potwierdzić swoją teorię.
Rozwiązanie naukowców sprawdziło się również, gdy na powierzchnię dodano więcej robotów.
Następnie naukowcy natychmiast zmieniali prędkość robotów, dostosowując nachylenie za pomocą mikrokontrolera i bieżących odczytów z wewnętrznej jednostki pomiarowej.
Wreszcie naukowcy wykorzystali swoje obserwacje do stworzenia modelu przypadku wielu robotów. „Aby zrozumieć, w jaki sposób elastyczna membrana odkształca się, gdy obecnych jest wiele pojazdów, wyobraziliśmy sobie, że membrana składa się z wielu nieskończenie małych, połączonych sprężyn tworzących powierzchnię; sprężyny mogą się odkształcać, gdy poruszają się po nich pojazdy” – wyjaśnił Li z Princeton University.
W symulacji stworzonej przy użyciu modelu sprężynowego naukowców oba pojazdy poruszają się i łączą, przyciągając się pośrednio poprzez deformację elastycznej membrany pod spodem, co czasami prowadzi do kolizji, tak jak wtedy, gdy zespół umieścił wiele robotów na trampolinie.
Ogólny model służy do kierowania projektami schematów inżynieryjnych — takich jak prędkość i pochylenie robotów badaczy — w celu kontrolowania zbiorowego zachowania aktywnej materii na odkształcalnych powierzchniach (na przykład, czy roboty zderzają się z trampoliną, czy nie).
Od robotyki do ogólnej teorii względności: zastosowania interdyscyplinarne
W przypadku naukowców wykorzystujących biomimikrę do budowy robotów prace zespołu mogą pomóc w opracowywaniu projektów robotyki, które unikają lub wykorzystują agregację. Na przykład SurferBot, prosty wibrobot, może ślizgać się po powierzchni wody i został pierwotnie zainspirowany pszczołami miodnymi, które wydostają się z wody. Inne systemy, które mogą potencjalnie zainspirować roboty biomimikujące, obejmują kaczątka pływające za matką. Dzięki włączeniu tych prac nad agregacją do swojego projektu, badania mogą również pomóc tym robotom we współpracy w celu wspólnego wykonywania zadań.
Naukowcy dodają, że prace mogą również przyczynić się do lepszego zrozumienia ogólnej teorii względności.
„Nasza konwencjonalna wizualizacja ogólnej teorii względności przedstawia kulki toczące się po elastycznym arkuszu” – wyjaśnił Li, główny autor artykułu. „Ta wizualizacja pokazuje ideę, że materia mówi czasoprzestrzeni, jak się zakrzywiać, a czasoprzestrzeń mówi materii, jak się poruszać. Ponieważ nasz model może tworzyć orbity w stanie ustalonym, może również rozwiązać typowe problemy z poprzednich badań: dzięki temu nowemu modelowi naukowcy mają umiejętność odwzorowania dokładnych systemów ogólnej teorii względności, w tym zjawisk takich jak statyczna czarna dziura”.