Wanneer zelfrijdende objecten met elkaar interageren, kunnen interessante verschijnselen optreden. Vogels richten zich op elkaar als ze samenkomen. Mensen bij een concert creëren spontaan draaikolken als ze tegen elkaar aanstoten en tegen elkaar botsen. Vuurmieren werken samen om vlotten te creëren die op het wateroppervlak drijven.

Hoewel veel van deze interacties plaatsvinden door direct contact, zoals het aanstoten van de concertbezoekers, kunnen sommige interacties worden overgedragen via het materiaal waarop de objecten zich bevinden of waarin ze zich bevinden - deze staan ​​bekend als indirecte interacties. Een brug met voetgangers erop kan bijvoorbeeld trillingen overbrengen, zoals in het beroemde voorbeeld van de "wankele brug" van de Millennium Bridge.

Hoewel de resultaten van directe interacties (zoals nudging) van toenemend belang en studie zijn, en de resultaten van indirecte interacties via mechanismen zoals visie goed bestudeerd zijn, leren onderzoekers nog steeds over indirecte mechanische interacties (bijvoorbeeld hoe twee rollende ballen de invloed van elkaars beweging op een trampoline door met hun gewicht in het oppervlak van de trampoline te drukken, waardoor mechanische krachten worden uitgeoefend zonder elkaar aan te raken).

Natuurkundigen gebruiken kleine robots op wielen om deze indirecte mechanische interacties beter te begrijpen, hoe ze een rol spelen in actieve materie en hoe we ze kunnen beheersen. Hun bevindingen, "Robotisch zwemmen in gekromde ruimte via geometrische fase" zijn onlangs gepubliceerd in de The Proceedings of the National Academy of Sciences .

In de krant, geleid door Shengkai Li, voormalig Ph.D. student aan de School of Physics aan Georgia Tech, nu een Center for the Physics of Biological Function (CPBF) fellow aan de Princeton University, onderzoekers illustreerden dat actieve materie op vervormbare oppervlakken met anderen kan interageren door middel van contactloze kracht - en creëerden vervolgens een model om controle over het collectieve gedrag van bewegende objecten op vervormbare oppervlakken mogelijk maken door eenvoudige veranderingen in de engineering van de robots.

Co-auteurs zijn onder andere Georgia Tech School of Physics co-auteurs Daniel Goldman, Dunn Family Professor; Gongjie Li, assistent-professor; en afgestudeerde student Hussain Gynai - samen met Pablo Laguna en Gabriella Small (Universiteit van Texas in Austin), Yasemin Ozkan-Aydin (Universiteit van Notre Dame), Jennifer Rieser (Emory University), Charles Xiao (Universiteit van Californië, Santa Barbara).

De betekenis van dit onderzoek reikt van biologie tot algemene relativiteitstheorie. "Het in kaart brengen van algemeen relativistische systemen is een doorbraak in het overbruggen van het veld van algemeen relativistische dynamiek en dat van actieve materie", legt Li van Georgia Tech uit. "Het opent een nieuw venster om de dynamische eigenschappen in beide velden beter te begrijpen."

"Ons werk is het eerste dat de opvatting introduceert dat een systeem van actieve materie kan worden omgevormd tot een dynamische ruimte-tijd-geometrie - en zo het systeem kan begrijpen door de instrumenten van Einsteins algemene relativiteitstheorie te lenen," voegde Laguna eraan toe.

Podium instellen

De onderzoekers bouwden robots die met een constante snelheid over een vlakke, vlakke ondergrond reden. Bij het tegenkomen van een oppervlak met dalen en bochten handhaafden deze robots die constante snelheid door zich te heroriënteren en te draaien. De hoeveelheid die de robot draaide, was een gevolg van hoe steil de helling of bocht was.

Toen deze robots op een cirkelvormig, trampoline-achtig oppervlak werden geplaatst, konden de onderzoekers volgen hoe de robots draaiden als reactie op het veranderende oppervlak, omdat de robots nieuwe kuilen in het oppervlak creëerden terwijl ze bewogen, waardoor het met hun gewicht werd ingedrukt. Een overheadsysteem volgde de voortgang van de robots over de trampoline en legde hun koers vast.

De onderzoekers begonnen met te testen hoe slechts één robot over de trampoline zou kunnen bewegen en ontdekten dat ze een wiskundig model konden construeren om te voorspellen hoe het voertuig zou bewegen. Door hulpmiddelen uit de algemene relativiteitstheorie te gebruiken om de banen in kaart te brengen met de beweging in een gekromde ruimtetijd, toonden ze aan dat men de precessie kwalitatief kon veranderen door het voertuig lichter te maken. Dit model verklaart de orbitale eigenschap:hoe de beweging van de "lussen" (de precessie van het aphelium) afhankelijk is van de begintoestand en de centrale depressie van de trampoline.

"We waren opgewonden en geamuseerd dat de paden die de robot aflegde - voorafgaande ellipsen - veel leken op die welke werden gevolgd door hemellichamen zoals Mars en verklaard werden door Einsteins algemene relativiteitstheorie", zegt Goldman van Georgia Tech Physics.

Interacties met meerdere robots

Toen er meer robots aan de trampoline werden toegevoegd, ontdekten de onderzoekers dat de vervormingen veroorzaakt door het gewicht van elke robot hun pad over de trampoline veranderden.

De onderzoekers veronderstelden dat het verhogen van de snelheid van de robots door de kanteling van het lichaam van de robot te veranderen, de waargenomen botsingen zou kunnen verminderen. Na verschillende tests met twee voertuigen konden ze hun theorie bevestigen.

De oplossing van de onderzoekers hield ook stand toen er meer robots aan het oppervlak werden toegevoegd.

Vervolgens varieerden de onderzoekers de snelheid van de robots onmiddellijk, waarbij ze de kanteling aanpasten met behulp van een microcontroller en actuele metingen van een interne meeteenheid.

Ten slotte hebben de onderzoekers hun observaties gebruikt om een ​​model te maken voor de multi-robot case. "Om te begrijpen hoe het elastische membraan vervormde wanneer er meerdere voertuigen aanwezig waren, stelden we ons het membraan voor als vele oneindig kleine, verbonden veren die het oppervlak vormen; de veren kunnen vervormen wanneer voertuigen eroverheen rijden", legt Li van de Princeton University uit.

In de simulatie die is gemaakt met behulp van het veermodel van de onderzoekers, bewegen en versmelten de twee voertuigen, waarbij ze elkaar indirect aantrekken door de vervorming van het elastische membraan eronder, wat soms resulteert in een botsing, net zoals wanneer het team meerdere robots op een trampoline plaatste.

Het algemene model werkt als leidraad voor ontwerpen van technische schema's - zoals snelheid en kanteling van de robots van de onderzoekers - om het collectieve gedrag van actieve materie op vervormbare oppervlakken te regelen (bijvoorbeeld of de robots botsen op de trampoline of niet).

Van robotica tot algemene relativiteit:interdisciplinaire toepassingen

Voor onderzoekers die biomimicry gebruiken om robots te bouwen, kan het werk van het team helpen bij het informeren van robotica-ontwerpen die aggregatie vermijden of gebruiken. De SurferBot, een eenvoudige vibrobot, kan bijvoorbeeld over het wateroppervlak scheren en is oorspronkelijk geïnspireerd op honingbijen die zich een weg banen uit het water. Andere systemen die mogelijk biomimicing-robots zouden kunnen inspireren, zijn onder meer eendjes die hun moeder achterna zwemmen. Door dit werk aan aggregatie op te nemen in hun ontwerp, zou het onderzoek deze robots ook kunnen helpen samen te werken om gezamenlijk taken uit te voeren.

Onderzoekers voegen eraan toe dat het werk ook het begrip van de algemene relativiteitstheorie zou kunnen bevorderen.

"Onze conventionele visualisatie van de algemene relativiteitstheorie is van knikkers die op een elastisch vel rollen", legt Li, de hoofdauteur van het artikel, uit. "Dat beeld demonstreert het idee dat materie de ruimtetijd vertelt hoe te buigen, en ruimtetijd vertelt de materie hoe te bewegen. Omdat ons model stabiele banen kan creëren, kan het ook veelvoorkomende problemen in eerdere studies oplossen:met dit nieuwe model hebben onderzoekers de vermogen om in kaart te brengen met exacte algemene relativiteitssystemen, inclusief verschijnselen zoals een statisch zwart gat." + Verder verkennen

Een kleine, magnetisch aangedreven versnellingsbak die microrobots meer kracht geeft