De fysica van collectieve beweging is de afgelopen dertig jaar goed bestudeerd. Tot nu toe hebben wetenschappers zich gericht op de studie van "vloeibare" bewegingen, zoals die van zwermen vogels of scholen vissen. Nu hebben onderzoekers van het Gulliver-laboratorium (ESPCI Paris-PSL / CNRS) met behulp van een ingenieus experimenteel apparaat de mogelijkheid van collectieve bewegingen in elastische vaste structuren onthuld. Hun werk werpt licht op het mechanisme en de parameters die deze zogenaamde 'collectieve aandrijving' besturen. Dit werk is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics .

Binnen het Gulliver-laboratorium bestudeert het team van Olivier Dauchot, een CNRS-onderzoeker, al enkele jaren collectieve bewegingen. Het concentreerde zich aanvankelijk op een eenvoudige vraag:hoe reproduceren we in het laboratorium de collectieve bewegingen die in de natuur worden waargenomen, zoals die van vogels of vissen? Om dit te doen, zette het team experimenten op met 'actieve materie', d.w.z. materie waarvan de elementaire entiteiten autonoom bewegen:lopende granen, zwemdruppels, minirobots - een ware dierentuin van actieve (maar niet levende) systemen, waarmee ze in staat waren om collectieve bewegingen te reproduceren en te bestuderen. Onlangs heeft hun onderzoek zich gericht op het fenomeen van files wanneer het systeem dichter wordt. Van vloeistof wordt het systeem geleidelijk vast. Is collectieve beweging mogelijk binnen een actieve vaste stof?

Eenvoudige ingrediënten om een ​​ingewikkeld systeem te begrijpen

"Als actieve deeltjes hebben we gekozen voor Hexbugs. Dit zijn kleine gemotoriseerde robots, die je in winkels kunt vinden. Als stevig elastisch materiaal hebben we een netwerk van cilinders gemaakt die door veren aan elkaar zijn verbonden. Door in elk van de cilinders een Hexbug te plaatsen die het netwerk vormen, vormen we een actieve vaste stof", legt Paul Baconnier uit, die zijn scriptie over dit onderwerp aan het maken is. Elke Hexbug vervormt het netwerk door te proberen te bewegen, terwijl hij wordt onderworpen aan de verplaatsingen die worden veroorzaakt door de inspanningen van zijn buren. Opmerkelijk is dat het onder bepaalde voorwaarden mogelijk is dat uit dit getouwtrek een gesynchroniseerde collectieve beweging ontstaat.

Wanneer de actieve vaste stof eenvoudig op de vloer wordt geplaatst, worden de Hexbugs spontaan uitgelijnd en begint de hele vaste stof door het laboratorium te bewegen. Wat als we de vaste stof aan de randen vasthaken? In dit geval wordt een nieuw type collectieve beweging waargenomen in de vaste stof:alle elementen van het netwerk oscilleren op een periodieke en gesynchroniseerde manier rond hun evenwichtspositie.

Om dit fenomeen van "collectieve activering" te verklaren, varieerden de onderzoekers de parameters van het experiment, zoals de stijfheid van de veren of de vorm van het netwerk. Ze toonden aan dat collectieve activering het resultaat is van de combinatie van de activiteit van de Hexbugs en de elasticiteit van de netwerkverbindingen, waardoor de structuur kan vervormen en elke Hexbug zichzelf kan oriënteren als reactie op deze vervorming. Het team heeft het waargenomen gedrag gemodelleerd en numeriek gereproduceerd, ook in systemen met enkele duizenden actieve agenten. Deze spontane collectieve activering doet denken aan de bewegingen die worden waargenomen in bepaalde cellulaire dynamica, met name in bepaalde huidweefsels, die daarom beter kunnen worden begrepen in het licht van dit werk. + Verder verkennen

De volgende generatie robots zullen vormveranderaars zijn