Когда самодвижущиеся объекты взаимодействуют друг с другом, могут происходить интересные явления. Птицы выстраиваются в ряд друг с другом, когда они собираются вместе. Люди на концерте спонтанно создают вихри, когда они толкаются и натыкаются друг на друга. Огненные муравьи работают вместе, создавая плоты, которые плавают на поверхности воды.
В то время как многие из этих взаимодействий происходят через прямой контакт, например, подталкивание посетителей концерта, некоторые взаимодействия могут передаваться через материал, на котором находятся объекты, - они известны как косвенные взаимодействия. Например, мост с пешеходами на нем может передавать вибрации, как в знаменитом примере моста тысячелетия "шаткий мост".
В то время как результаты прямых взаимодействий (таких как подталкивание) вызывают все больший интерес и изучаются, а результаты косвенных взаимодействий с помощью таких механизмов, как зрение, хорошо изучены, исследователи все еще изучают косвенные механические взаимодействия (например, как два катящихся мяча могут влиять на движение друг друга на батуте, делая отступы на поверхности батута своим весом, таким образом, оказывая механические усилия без соприкосновения).
Физики используют маленьких колесных роботов, чтобы лучше понять эти косвенные механические взаимодействия, как они играют роль в активной материи и как мы можем ими управлять. Их результаты, "Опосредованная полем локомоторная динамика на сильно деформируемых поверхностях", недавно опубликованы в Труды Национальной академии наук (PNAS).
В статье, возглавляемой Шенкаем Ли, бывшим докторантом физического факультета Технологического университета Джорджии, а ныне сотрудником Центра физики биологических функций (CPBF) Принстонского университета, исследователи проиллюстрировали, что активное вещество на деформируемых поверхностях может взаимодействовать с другими с помощью бесконтактной силы, а затем создали модель, позволяющая управлять коллективным поведением движущихся объектов на деформируемых поверхностях посредством простых изменений в конструкции роботов.
В число соавторов входят соавторы из Технической школы физики Джорджии Дэниел Голдман, профессор семьи Данн; Гонджи Ли, доцент; и аспирант Хуссейн Гинаи - вместе с Пабло Лагуной и Габриэллой Смолл (Техасский университет в Остине), Ясемин Озкан-Айдын (Университет Нотр-Дам), Дженнифер Ризер (Университет Эмори), Чарльз Сяо (Калифорнийский университет, Санта-Барбара).
Значение этого исследования простирается от биологии до общей теории относительности. "Отображение на общие релятивистские системы - это прорыв в объединении области общей релятивистской динамики и области активной материи", - пояснил Ли из Georgia Tech. "Это открывает новое окно для лучшего понимания динамических свойств в обеих областях".
"Наша работа является первой, которая представляет точку зрения о том, что система активной материи может быть преобразована в динамическую геометрию пространства-времени - и, таким образом, получить представление о системе, заимствуя инструменты общей теории относительности Эйнштейна", - добавил Лагуна.
Подготавливая почву
Исследователи построили роботов, которые двигались с постоянной скоростью по ровной местности. При столкновении с поверхностью с провалами и изгибами эти роботы поддерживали постоянную скорость, переориентируясь и поворачивая. Величина, которую поворачивал робот, была результатом того, насколько крутым был склон или кривая.
Когда эти роботы были помещены на круглую поверхность, похожую на батут, исследователи смогли отслеживать, как роботы поворачивались в ответ на изменение поверхности, потому что роботы создавали новые провалы в поверхности при движении, придавливая ее своим весом. Подвесная система отслеживала продвижение роботов по батуту, записывая их траектории.
Исследователи начали с тестирования того, как только один робот может перемещаться по батуту, и обнаружили, что они могут построить математическую модель, чтобы предсказать, как будет двигаться транспортное средство. Используя инструменты общей теории относительности для сопоставления орбит с движением в искривленном пространстве-времени, они показали, что можно качественно изменить прецессию, сделав транспортное средство легче. Эта модель объясняет орбитальное свойство: как движение "петель", показанных здесь в работе команды видео (прецессия афелия) зависит от начального состояния и центрального углубления батута.
"Мы были взволнованы и удивлены тем, что траектории, по которым двигался робот - прецессирующие эллипсы - были очень похожи на траектории, прослеживаемые небесными телами, такими как Марс, и объясняемые общей теорией относительности Эйнштейна", - сказал Голдман из Georgia Tech Physics.
Взаимодействие с несколькими роботами
Когда на батут было добавлено больше роботов, исследователи обнаружили, что деформации, вызванные весом каждого робота, изменили их траекторию движения по батуту. Посмотрите, что происходит в этот момент в видео.
Исследователи выдвинули гипотезу, что увеличение скорости роботов за счет изменения наклона корпуса робота может помочь смягчить столкновения, которые они наблюдали. После нескольких тестов с двумя транспортными средствами они смогли подтвердить свою теорию.
Решение исследователей подтвердилось и тогда, когда на поверхность было добавлено больше роботов.
Затем исследователи мгновенно меняли скорость роботов, регулируя наклон с помощью микроконтроллера и мгновенных показаний внутреннего измерительного устройства.
Наконец, исследователи использовали свои наблюдения для создания модели для случая с несколькими роботами. "Чтобы понять, как эластичная мембрана деформируется при наличии нескольких транспортных средств, мы представили мембрану в виде множества бесконечно малых соединенных пружин, образующих поверхность; пружины могут деформироваться, когда транспортные средства перемещаются по ним", - объяснил Ли из Принстонского университета.
В симуляции, созданной с использованием пружинной модели исследователей, два транспортных средства движутся и сливаются, косвенно притягивая друг друга за счет деформации эластичной мембраны под ними, что иногда приводит к столкновению, как в случае, когда команда поместила несколько роботов на батут.
Общая модель служит руководством к проектированию инженерных схем - таких как скорость и наклон роботов исследователей - для управления коллективным поведением активного вещества на деформируемых поверхностях (например, сталкиваются ли роботы на батуте или нет).
От робототехники до общей теории относительности: междисциплинарные приложения
Для исследователей, использующих биомимикрию для создания роботов, работа команды может помочь в разработке робототехнических конструкций, которые избегают или используют агрегацию. Например, SurferBot, простой вибробот, может скользить по поверхности воды и изначально был вдохновлен медоносными пчелами, выбирающимися из воды. Другие системы, которые потенциально могут вдохновить биомимикрирующих роботов, включают утят, плывущих за своей матерью. Включив эту работу по агрегированию в их дизайн, исследование могло бы также помочь этим роботам работать вместе для коллективного выполнения задач.
Исследователи добавляют, что эта работа также могла бы продвинуть понимание общей теории относительности.
"Наша обычная визуализация общей теории относительности представляет собой шарики, катящиеся по эластичному листу", - объяснил Ли, ведущий автор статьи. "Это изображение демонстрирует идею о том, что материя сообщает пространству-времени, как изгибаться, а пространство-время сообщает материи, как двигаться. Поскольку наша модель может создавать стационарные орбиты, она также может преодолеть общие проблемы в предыдущих исследованиях: с помощью этой новой модели исследователи имеют возможность сопоставлять точные системы общей теории относительности, включая такие явления, как статическая черная дыра ".
Комментарии