Quando gli oggetti semoventi interagiscono tra loro, possono verificarsi fenomeni interessanti. Gli uccelli si allineano tra loro quando si radunano insieme. Le persone a un concerto creano spontaneamente vortici quando si toccano e si scontrano. Le formiche del fuoco lavorano insieme per creare zattere che galleggiano sulla superficie dell'acqua.

Sebbene molte di queste interazioni avvengano attraverso il contatto diretto, come le sollecitazioni dei partecipanti al concerto, alcune interazioni possono trasmettersi attraverso il materiale su cui si trovano o in cui si trovano gli oggetti:queste sono note come interazioni indirette. Ad esempio, un ponte con dei pedoni può trasmettere vibrazioni, come nel famoso esempio del "ponte traballante" del Millennium Bridge.

Mentre i risultati delle interazioni dirette (come il colpetto) sono di crescente interesse e studio, e i risultati delle interazioni indirette attraverso meccanismi come la visione sono ben studiati, i ricercatori stanno ancora imparando le interazioni meccaniche indirette (ad esempio, come due palline rotolanti potrebbero influenzare il movimento dell'altro su un trampolino facendo rientrare la superficie del trampolino con il loro peso, esercitando così forze meccaniche senza toccarsi).

I fisici stanno usando piccoli robot a ruote per comprendere meglio queste interazioni meccaniche indirette, come svolgono un ruolo nella materia attiva e come possiamo controllarle. Le loro scoperte, "Nuoto robotico nello spazio curvo tramite fase geometrica", sono state recentemente pubblicate su The Proceedings of the National Academy of Sciences .

Nel documento, guidato da Shengkai Li, ex Ph.D. studente della School of Physics della Georgia Tech, ora membro del Center for the Physics of Biological Function (CPBF) dell'Università di Princeton, i ricercatori hanno illustrato che la materia attiva sulle superfici deformabili può interagire con gli altri attraverso la forza senza contatto, quindi hanno creato un modello per consentono il controllo del comportamento collettivo di oggetti in movimento su superfici deformabili attraverso semplici modifiche nell'ingegnerizzazione dei robot.

I coautori includono i coautori della Georgia Tech School of Physics Daniel Goldman, professore di famiglia Dunn; Gongjie Li, assistente professore; e lo studente laureato Hussain Gynai, insieme a Pablo Laguna e Gabriella Small (Università del Texas ad Austin), Yasemin Ozkan-Aydin (Università di Notre Dame), Jennifer Rieser (Università di Emory), Charles Xiao (Università della California, Santa Barbara).

Il significato di questa ricerca spazia dalla biologia alla relatività generale. "La mappatura ai sistemi relativistici generali è una svolta nel collegare il campo della dinamica relativistica generale e quello della materia attiva", ha spiegato Li, della Georgia Tech. "Si apre una nuova finestra per comprendere meglio le proprietà dinamiche in entrambi i campi."

"Il nostro lavoro è il primo a introdurre l'idea che un sistema di materia attiva può essere riformulato come una geometria dinamica dello spazio-tempo, e quindi acquisire una comprensione del sistema prendendo in prestito gli strumenti della teoria della relatività generale di Einstein", ha aggiunto Laguna.

Preparare le basi

I ricercatori hanno costruito robot che guidavano a velocità costante su un terreno pianeggiante. Quando incontravano una superficie con avvallamenti e curve, questi robot mantenevano quella velocità costante riorientandosi e girando. La quantità di rotazione del robot era il risultato di quanto fosse ripida la pendenza o la curva.

Quando questi robot sono stati posizionati su una superficie circolare simile a un trampolino, i ricercatori sono stati in grado di monitorare come i robot giravano in risposta al cambiamento della superficie, perché i robot creavano nuovi avvallamenti nella superficie mentre si muovevano, deprimendola con il loro peso. Un sistema sopraelevato ha tracciato i progressi dei robot sul trampolino, registrando i loro percorsi.

I ricercatori hanno iniziato testando come un solo robot potrebbe muoversi sul trampolino e hanno scoperto che potevano costruire un modello matematico per prevedere come si sarebbe mosso il veicolo. Utilizzando strumenti della relatività generale per mappare le orbite al movimento in uno spaziotempo curvo, hanno dimostrato che si può cambiare qualitativamente la precessione rendendo il veicolo più leggero. Questo modello spiega la proprietà orbitale:come il movimento delle "anse" (la precessione dell'afelio) dipenda dalla condizione iniziale e dalla depressione centrale del trampolino.

"Eravamo eccitati e divertiti dal fatto che i percorsi seguiti dal robot, che precedono le ellissi, assomigliassero molto a quelli tracciati da corpi celesti come Marte e spiegati dalla teoria della relatività generale di Einstein", ha affermato Goldman, della Georgia Tech Physics.

Interazioni multi-robot

Quando sono stati aggiunti più robot al trampolino, i ricercatori hanno scoperto che le deformazioni causate dal peso di ciascun robot hanno cambiato il loro percorso attraverso il trampolino.

I ricercatori hanno ipotizzato che aumentare la velocità dei robot modificando l'inclinazione del corpo del robot potrebbe aiutare a mitigare le collisioni osservate. Dopo diversi test con due veicoli, sono stati in grado di confermare la loro teoria.

La soluzione dei ricercatori è rimasta valida anche quando sono stati aggiunti più robot in superficie.

Quindi, i ricercatori hanno variato istantaneamente la velocità dei robot, regolando l'inclinazione utilizzando un microcontrollore e le letture del momento da un'unità di misura interna.

Infine, i ricercatori hanno utilizzato le loro osservazioni per creare un modello per il caso multi-robot. "Per capire come si deformava la membrana elastica quando erano presenti più veicoli, abbiamo immaginato la membrana come tante molle infinitesime collegate che formano la superficie; le molle possono deformarsi quando i veicoli si muovono su di esse", ha spiegato Li, dell'Università di Princeton.

Nella simulazione realizzata utilizzando il modello a molla dei ricercatori, i due veicoli si muovono e si fondono, attraendosi indirettamente attraverso la deformazione della membrana elastica sottostante, provocando talvolta collisioni, proprio come quando il team ha posizionato più robot su un trampolino.

Il modello generale funziona per guidare la progettazione di schemi ingegneristici, come la velocità e l'inclinazione dei robot dei ricercatori, per controllare il comportamento collettivo della materia attiva su superfici deformabili (ad esempio, indipendentemente dal fatto che i robot si scontrino sul trampolino o meno).

Dalla robotica alla relatività generale:applicazioni interdisciplinari

Per i ricercatori che utilizzano la biomimetica per costruire robot, il lavoro del team potrebbe aiutare a informare i progetti di robotica che evitano o utilizzano l'aggregazione. Ad esempio, il SurferBot, un semplice vibrobot, può sfiorare la superficie dell'acqua ed è stato originariamente ispirato dalle api mellifere che si fanno strada fuori dall'acqua. Altri sistemi che potrebbero potenzialmente ispirare i robot che imitano la biografia includono gli anatroccoli che nuotano dietro la madre. Incorporando questo lavoro sull'aggregazione nella loro progettazione, la ricerca potrebbe anche aiutare questi robot a lavorare insieme per svolgere compiti collettivamente.

I ricercatori aggiungono che il lavoro potrebbe anche far progredire la comprensione della relatività generale.

"La nostra visualizzazione convenzionale della relatività generale è di biglie che rotolano su un foglio elastico", ha spiegato Li, l'autore principale del documento. "Quell'immagine dimostra l'idea che la materia dice allo spaziotempo come curvarsi e lo spaziotempo dice alla materia come muoversi. Poiché il nostro modello può creare orbite stazionarie, può anche superare problemi comuni negli studi precedenti:con questo nuovo modello, i ricercatori hanno il capacità di mappare i sistemi esatti della relatività generale, inclusi fenomeni come un buco nero statico". + Esplora ulteriormente

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