Spontane robotdanser fremhever en ny type ordre i aktiv materie - Brutalk

Spontane robotdanser fremhever en ny type ordre i aktiv materie - Brutalk

Å forutsi når og hvordan samlinger av partikler, roboter eller dyr blir ordnet er fortsatt en utfordring på tvers av vitenskap og teknologi.

På 1800-tallet utviklet forskere og ingeniører disiplinen til statistisk mekanikk, som forutsier hvordan grupper av enkle partikler overgår mellom orden og forstyrrelse, som når en samling av tilfeldig kolliderende atomer fryser til å danne et jevnt krystallgitter.

Mer utfordrende å forutsi er den kollektive oppførselen som kan oppnås når partiklene blir mer kompliserte, slik at de kan bevege seg under egen kraft. Denne typen system - observert i fugleflokker, bakteriekolonier og robotsvermer - har navnet "aktiv materie".

Som rapportert i tidsskriftet 1. januar 2021 Vitenskaphar et team av fysikere og ingeniører foreslått et nytt prinsipp som systemer av aktiv materie spontant kan bestille, uten behov for instruksjoner på høyere nivå eller til og med programmert interaksjon mellom agentene. Og de har demonstrert dette prinsippet i en rekke systemer, inkludert grupper med periodisk formendrende roboter kalt "smarticles" - smarte, aktive partikler.

Teorien, utviklet av Dr. Pavel Chvykov ved Massachusetts Institute of Technology, mens en student av professor Jeremy England, som nå er forsker ved School of Physics ved Georgia Institute of Technology, uttaler at visse typer aktiv materie med tilstrekkelig rotete dynamikk vil spontant finne det forskerne refererer til som "low rattling" stater.

"Skramling er når materie tar energi som strømmer inn i den og gjør den til tilfeldig bevegelse," sa England. "Skramling kan være større enten når bevegelsen er mer voldsom, eller mer tilfeldig. Omvendt er lav rangling enten veldig liten eller veldig organisert - eller begge deler. Tanken er altså at hvis saken din og energikilde gir mulighet for en lav ranglingstilstand, vil systemet tilfeldig omorganisere til det finner den tilstanden og deretter blir sittende fast der. Hvis du leverer energi gjennom krefter med et bestemt mønster, betyr dette at den valgte tilstanden vil oppdage en måte for saken å bevege seg på som passer perfekt til det mønster."

For å utvikle teorien deres tok England og Chvykov inspirasjon fra et fenomen - kalt kalt - oppdaget av den sveitsiske fysikeren Charles Soret på slutten av 1800-tallet. I Sorets eksperimenter oppdaget han at å utsette en opprinnelig ensartet saltløsning i et rør for en temperaturforskjell spontant ville føre til en økning i saltkonsentrasjonen i det kaldere området - noe som tilsvarer en økning i løsningens rekkefølge.

Chvykov og England utviklet en rekke matematiske modeller for å demonstrere det lave raslende prinsippet, men det var ikke før de fikk kontakt med Daniel Goldman, professor i fysikk ved Dunn Family ved Georgia Institute of Technology, at de var i stand til å teste sine spådommer.

Sa Goldman, "For noen år tilbake så jeg England holde et seminar og tenkte at noen av våre smarticle-roboter kan vise seg å være verdifulle for å teste denne teorien." Arbeidet med Chvykov, som besøkte Goldmans laboratorium, Ph.D. studentene William Savoie og Akash Vardhan brukte tre klappende smartikler innelukket i en ring for å sammenligne eksperimenter med teori. Studentene observerte at i stedet for å vise komplisert dynamikk og utforske beholderen fullstendig, ville robotene spontant selvorganisere seg i noen få danser - for eksempel består en dans av tre roboter som slår hverandres armer i rekkefølge. Disse dansene kan vare i hundrevis av klaffer, men plutselig mister stabiliteten og blir erstattet av en dans med et annet mønster.

Etter å ha demonstrert at disse enkle dansene faktisk var lavt raslende stater, jobbet Chvykov med ingeniører ved Northwestern University, professor Todd Murphey og Ph.D. student Thomas Berrueta, som utviklet mer raffinerte og bedre kontrollerte smartikler. De forbedrede smartiklene tillot forskerne å teste grensene for teorien, inkludert hvordan typene og antallet danser varierte for forskjellige armflagrende mønstre, samt hvordan disse dansene kunne kontrolleres. "Ved å kontrollere sekvenser med lavt raslende tilstand, var vi i stand til å få systemet til å nå konfigurasjoner som gjør nyttig arbeid," sa Berrueta. Northwestern University-forskerne sier at disse funnene kan ha brede praktiske implikasjoner for mikrorobotiske svermer, aktiv materie og metamaterialer.

Som England bemerket: "For robotsvermer, handler det om å få mange adaptive og smarte gruppeatferd som du kan designe for å bli realisert i en enkelt sverm, selv om de enkelte robotene er relativt billige og beregningsmessig enkle. For levende celler og nye materialer er det kan handle om å forstå hva "svermen" av atomer eller proteiner kan gi deg, så langt som nytt materiale eller beregningsegenskaper. "

Du kan også være interessert