Aktivt stof, buede rum:Minirobotter lærer at svømme på strækbare overflader

Når selvkørende genstande interagerer med hinanden, kan der opstå interessante fænomener. Fugle flugter med hinanden, når de flokkes sammen. Folk til en koncert skaber spontant hvirvler, når de nupper og støder ind i hinanden. Ildmyrer arbejder sammen om at skabe flåder, der flyder på vandoverfladen.

Mens mange af disse interaktioner sker gennem direkte kontakt, som koncertgængernes nudging, kan nogle interaktioner overføres gennem det materiale, objekterne er på eller i - disse er kendt som indirekte interaktioner. For eksempel kan en bro med fodgængere overføre vibrationer, som i den berømte Millennium Bridge "wobbly bridge".

Mens resultaterne af direkte interaktioner (som nudging) er af stigende interesse og undersøgelse, og resultaterne af indirekte interaktioner gennem mekanismer som vision er velundersøgte, lærer forskerne stadig om indirekte mekaniske interaktioner (f.eks. hvordan to rullende bolde kan påvirke hinandens bevægelser på en trampolin ved at trække trampolinens overflade ind med deres vægt og dermed udøve mekaniske kræfter uden at røre).

Fysikere bruger små hjulrobotter til bedre at forstå disse indirekte mekaniske interaktioner, hvordan de spiller en rolle i aktivt stof, og hvordan vi kan kontrollere dem. Deres resultater, "Robotisk svømning i buet rum via geometrisk fase" er for nylig offentliggjort i The Proceedings of the National Academy of Sciences .

I papiret, ledet af Shengkai Li, tidligere ph.d. studerende ved School of Physics ved Georgia Tech, nu en Center for Physics of Biological Function (CPBF)-stipendiat ved Princeton University, viste forskere, at aktivt stof på deformerbare overflader kan interagere med andre gennem ikke-kontaktkraft - og skabte derefter en model til tillade kontrol over den kollektive adfærd af bevægelige genstande på deformerbare overflader gennem simple ændringer i robotternes konstruktion.

Medforfattere omfatter Georgia Tech School of Physics medforfattere Daniel Goldman, Dunn Family Professor; Gongjie Li, adjunkt; og kandidatstuderende Hussain Gynai – sammen med Pablo Laguna og Gabriella Small (University of Texas at Austin), Yasemin Ozkan-Aydin (University of Notre Dame), Jennifer Rieser (Emory University), Charles Xiao (University of California, Santa Barbara).

Betydningen af ​​denne forskning spænder fra biologi til generel relativitetsteori. "Kortlægningen til generelle relativistiske systemer er et gennembrud i at bygge bro mellem området for generel relativistisk dynamik og det aktive stof," forklarede Li fra Georgia Tech. "Det åbner et nyt vindue for bedre at forstå de dynamiske egenskaber i begge felter."

"Vores arbejde er det første til at introducere synspunktet om, at et aktivt stofsystem kan omstøbes som en dynamisk rum-tidsgeometri - og dermed opnå en forståelse af systemet ved at låne værktøjerne fra Einsteins generelle relativitetsteori," tilføjede Laguna.

Set scenen

Forskerne byggede robotter, der kørte med konstant hastighed over fladt, jævnt terræn. Når de stødte på en overflade med fald og kurver, holdt disse robotter den konstante hastighed ved at omorientere sig selv og dreje. Mængden, som robotten drejede, var et resultat af, hvor stejl skråningen eller kurven var.

Da disse robotter blev placeret på en cirkulær, trampolinlignende overflade, var forskerne i stand til at overvåge, hvordan robotterne drejede som reaktion på den skiftende overflade, fordi robotterne skabte nye dyk i overfladen, mens de bevægede sig, og trykkede den ned med deres vægt. Et overhead-system sporede robotternes fremskridt hen over trampolinen og registrerede deres kurser.

Forskerne begyndte med at teste, hvordan kun én robot kunne bevæge sig hen over trampolinen, og fandt ud af, at de kunne konstruere en matematisk model til at forudsige, hvordan køretøjet ville bevæge sig. Ved at bruge værktøjer fra den generelle relativitetsteori til at kortlægge banerne til bevægelsen i en buet rumtid, viste de, at man kvalitativt kunne ændre præcessionen ved at gøre køretøjet lettere. Denne model forklarer den orbitale egenskab:hvordan bevægelsen af ​​"løkkerne" (apheliets præcession) afhænger af starttilstanden og trampolinens centrale fordybning.

"Vi var begejstrede og morede over, at de stier, robotten tog - forud for ellipser - lignede dem, der blev sporet af himmellegemer som Mars og forklaret af Einsteins teori om generel relativitet," sagde Goldman fra Georgia Tech Physics.

Multi-robotinteraktioner

Da der blev tilføjet flere robotter til trampolinen, fandt forskerne ud af, at deformationerne forårsaget af hver robots vægt ændrede deres veje hen over trampolinen.

Forskerne antog, at en forøgelse af robotternes hastighed ved at ændre hældningen af ​​robottens krop kunne hjælpe med at afbøde de kollisioner, de observerede. Efter adskillige tests med to køretøjer var de i stand til at bekræfte deres teori.

Forskernes løsning holdt, da der også blev tilføjet flere robotter til overfladen.

Derefter varierede forskerne robotternes hastighed øjeblikkeligt og justerede hældningen ved at bruge en mikrocontroller og øjeblikkelige aflæsninger fra en intern måleenhed.

Til sidst brugte forskerne deres observationer til at skabe en model for multi-robot-sagen. "For at forstå, hvordan den elastiske membran deformeres, når flere køretøjer var til stede, så vi membranen som mange uendeligt små, forbundne fjedre, der danner overfladen; fjedrene kan deformeres, når køretøjer bevæger sig over dem," forklarede Li fra Princeton University.

I simuleringen skabt ved hjælp af forskernes fjedermodel bevæger de to køretøjer sig og smelter sammen og tiltrækker hinanden indirekte gennem deformationen af ​​den elastiske membran nedenunder, hvilket nogle gange resulterer i kollision, ligesom da holdet placerede flere robotter på en trampolin.

Den overordnede model arbejder på at vejlede design af tekniske skemaer - som hastighed og hældning af forskernes robotter - for at kontrollere den kollektive adfærd af aktivt stof på deformerbare overflader (f.eks. om robotterne kolliderer på trampolinen eller ej).

Fra robotteknologi til generel relativitetsteori:tværfaglige applikationer

For forskere, der bruger biomimicry til at bygge robotter, kan teamets arbejde hjælpe med at informere om robotdesign, der undgår eller udnytter aggregering. For eksempel kan SurferBot, en simpel vibrobot, skumme vandoverfladen og er oprindeligt inspireret af honningbier, der arbejder sig ud af vandet. Andre systemer, der potentielt kunne inspirere bioefterlignende robotter, omfatter ællinger, der svømmer efter deres mor. Ved at inkorporere dette arbejde med aggregering i deres design, kan forskningen også hjælpe disse robotter med at arbejde sammen for i fællesskab at udføre opgaver.

Forskere tilføjer, at arbejdet også kunne fremme forståelsen af ​​generel relativitetsteori.

"Vores konventionelle visualisering af generel relativitet er af kugler, der ruller på et elastisk ark," forklarede Li, avisens hovedforfatter. "Det visuelle demonstrerer ideen om, at stof fortæller rumtiden, hvordan den kurver, og rumtiden fortæller materien, hvordan den skal bevæge sig. Da vores model kan skabe steady-state kredsløb, kan den også overvinde almindelige problemer i tidligere undersøgelser:med denne nye model har forskere evne til at kortlægge nøjagtige generelle relativitetssystemer, herunder fænomener som et statisk sort hul." + Udforsk yderligere

En lille, magnetisk aktiveret gearkasse, der giver mikrorobotter mere kraft