När självgående föremål interagerar med varandra kan intressanta fenomen uppstå. Fåglar ställer sig i linje med varandra när de flockas tillsammans. Människor på en konsert skapar spontant virvlar när de knuffar och stöter på varandra. Eldmyror arbetar tillsammans för att skapa flottar som flyter på vattenytan.

Även om många av dessa interaktioner sker genom direkt kontakt, som konsertbesökarnas nudging, kan vissa interaktioner sändas genom materialet som objekten befinner sig på eller i - dessa är kända som indirekta interaktioner. Till exempel kan en bro med fotgängare överföra vibrationer, som i den berömda Millennium Bridge "wobbly bridge".

Medan resultaten av direkta interaktioner (som nudging) är av ökande intresse och studier, och resultaten av indirekta interaktioner genom mekanismer som syn är väl studerade, lär sig forskare fortfarande om indirekta mekaniska interaktioner (till exempel hur två rullande bollar kan påverka varandras rörelser på en studsmatta genom att trycka in studsmattans yta med sin vikt och på så sätt utöva mekaniska krafter utan att röra dem).

Fysiker använder små hjulförsedda robotar för att bättre förstå dessa indirekta mekaniska interaktioner, hur de spelar en roll i aktiv materia och hur vi kan kontrollera dem. Deras resultat, "Robotisk simning i krökt utrymme via geometrisk fas" har nyligen publicerats i The Proceedings of the National Academy of Sciences .

I tidningen, ledd av Shengkai Li, tidigare Ph.D. student vid School of Physics vid Georgia Tech, numera en stipendiat i Center for the Physics of Biological Function (CPBF) vid Princeton University, illustrerade forskare att aktiv materia på deformerbara ytor kan interagera med andra genom icke-kontaktkraft – skapade sedan en modell för att tillåta kontroll av det kollektiva beteendet hos rörliga föremål på deformerbara ytor genom enkla förändringar i robotarnas konstruktion.

Medförfattare inkluderar Georgia Tech School of Physics medförfattare Daniel Goldman, Dunn Family Professor; Gongjie Li, biträdande professor; och doktorand Hussain Gynai — tillsammans med Pablo Laguna och 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).

Betydelsen av denna forskning sträcker sig från biologi till allmän relativitetsteori. "Mappningen till generella relativistiska system är ett genombrott för att överbrygga fältet för allmän relativistisk dynamik och det för aktiv materia," förklarade Li, från Georgia Tech. "Det öppnar ett nytt fönster för att bättre förstå de dynamiska egenskaperna i båda fälten."

"Vårt arbete är det första att introducera uppfattningen att ett system med aktivt materia kan omformas som en dynamisk rum-tidsgeometri - och på så sätt få en förståelse för systemet genom att låna verktygen från Einsteins allmänna relativitetsteori," tillade Laguna.

Sätt scenen

Forskarna byggde robotar som körde med konstant hastighet över plan, plan mark. När de mötte en yta med fall och kurvor bibehöll dessa robotar den konstanta hastigheten genom att omorientera sig och svänga. Mängden som roboten svängde var ett resultat av hur brant lutningen eller kurvan var.

När dessa robotar placerades på en cirkulär, trampolinliknande yta kunde forskarna övervaka hur robotarna vände sig som svar på den föränderliga ytan, eftersom robotarna skapade nya dippar i ytan när de rörde sig och tryckte ner den med sin vikt. Ett overhead-system spårade robotarnas framfart över studsmattan och registrerade deras kurser.

Forskarna började med att testa hur bara en robot kunde röra sig över studsmattan och fann att de kunde konstruera en matematisk modell för att förutsäga hur fordonet skulle röra sig. Genom att använda verktyg från allmän relativitetsteori för att kartlägga banorna till rörelsen i en krökt rumtid, visade de att man kvalitativt kunde förändra precessionen genom att göra fordonet lättare. Denna modell förklarar den orbitala egenskapen:hur rörelsen av "slingorna" (aphelionens precession) beror på initialtillståndet och studsmattans centrala fördjupning.

"Vi var glada och roade över att vägarna som roboten tog - före ellipser - såg mycket ut som de som spårades av himlakroppar som Mars och förklaras av Einsteins teori om allmän relativitet", säger Goldman, från Georgia Tech Physics.

Interaktioner med flera robotar

När fler robotar lades till studsmattan fann forskarna att de deformationer som orsakades av varje robots vikt ändrade deras väg över studsmattan.

Forskarna antog att en ökning av robotarnas hastighet genom att ändra lutningen på robotens kropp kan hjälpa till att mildra kollisioner som de observerade. Efter flera tester med två fordon kunde de bekräfta sin teori.

Forskarnas lösning höll när fler robotar lades till ytan också.

Sedan varierade forskarna robotarnas hastighet omedelbart och justerade lutningen med hjälp av en mikrokontroller och avläsningar i ögonblicket från en intern mätenhet.

Slutligen använde forskarna sina observationer för att skapa en modell för multirobotfallet. "För att förstå hur det elastiska membranet deformerades när flera fordon fanns närvarande, föreställde vi membranet som många oändliga, sammankopplade fjädrar som bildar ytan; fjädrarna kan deformeras när fordon rör sig över dem," förklarade Li, från Princeton University.

I simuleringen som skapats med forskarnas fjädermodell rör sig de två fordonen och smälter samman och attraherar varandra indirekt genom deformationen av det elastiska membranet under, vilket ibland resulterar i kollision, precis som när teamet placerade flera robotar på en studsmatta.

Den övergripande modellen fungerar för att vägleda konstruktioner av ingenjörsscheman – som hastighet och lutning av forskarnas robotar – för att kontrollera det kollektiva beteendet hos aktivt material på deformerbara ytor (till exempel om robotarna kolliderar på studsmattan eller inte).

Från robotik till allmän relativitetsteori:tvärvetenskapliga tillämpningar

För forskare som använder biomimik för att bygga robotar kan teamets arbete hjälpa till att informera robotdesigner som undviker eller använder aggregering. Till exempel kan SurferBot, en enkel vibrobot, skumma vattenytan och inspirerades ursprungligen av honungsbin som arbetade sig upp ur vattnet. Andra system som potentiellt kan inspirera biohärmare robotar inkluderar ankungar som simmar efter sin mamma. Genom att integrera detta arbete med aggregering i sin design kan forskningen också hjälpa dessa robotar att arbeta tillsammans för att tillsammans utföra uppgifter.

Forskare tillägger att arbetet också kan främja förståelsen av allmän relativitet.

"Vår konventionella visualisering av generell relativitetsteori är kulor som rullar på ett elastiskt ark," förklarade Li, tidningens huvudförfattare. "Den där bilden visar tanken att materia talar om för rymdtiden hur den ska krökas, och rumtiden talar om för materia hur den ska röra sig. Eftersom vår modell kan skapa omloppsbanor i stabilt tillstånd, kan den också övervinna vanliga problem i tidigare studier:med denna nya modell har forskare förmåga att kartlägga till exakta allmänna relativitetssystem, inklusive fenomen som ett statiskt svart hål." + Utforska vidare

En liten, magnetiskt manövrerad växellåda som ger mikrorobotar mer kraft