Kollektiv aktivering inuti i ett elastiskt nätverk av hexbugs. Kredit:ESPCI Paris
Fysiken för kollektiv rörelse har studerats väl under de senaste trettio åren. Hittills har forskare fokuserat på studiet av "vätskerörelser", till exempel hos fågelflockar eller fiskstim. Nu, med hjälp av en genialisk experimentell anordning, har forskare från Gulliver-laboratoriet (ESPCI Paris-PSL / CNRS) avslöjat möjligheten till kollektiva rörelser i elastiska solida strukturer. Deras arbete belyser mekanismen och parametrarna som styr denna så kallade "kollektiva aktivering". Detta arbete är publicerat i tidskriften Nature Physics .
Inom Gulliver-laboratoriet har teamet av Olivier Dauchot, en CNRS-forskare, studerat kollektiva rörelser i flera år. Den fokuserade till en början på en enkel fråga:Hur kan man i laboratoriet reproducera de kollektiva rörelser som observeras i naturen, som fåglars eller fiskars? För att göra detta satte teamet upp experiment med "aktiv materia", det vill säga materia vars elementära entiteter rör sig autonomt:gående korn, simdroppar, minirobotar - en veritabel djurpark av aktiva (men inte levande) system, med vilka de kunde att reproducera och studera kollektiva rörelser. På senare tid har deras forskning fokuserat på fenomenen trafikstockningar när systemet blir tätare. Från vätska blir systemet gradvis fast. Är kollektiv rörelse möjlig inom ett aktivt fast ämne?
Enkla ingredienser för att förstå ett komplicerat system
"Som aktiva partiklar valde vi Hexbugs. Dessa är små motoriserade robotar, som kan hittas i butiker. Som ett solidt elastiskt material gjorde vi ett nätverk av cylindrar sammanlänkade av fjädrar. Genom att placera en Hexbug i var och en av cylindrarna som utgör nätverket, bildar vi en aktiv solid," förklarar Paul Baconnier, som gör sin avhandling om detta ämne. Varje Hexbug deformerar nätverket genom att försöka röra sig, samtidigt som de utsätts för förskjutningar som orsakas av grannarnas ansträngningar. Anmärkningsvärt nog är det möjligt under vissa förutsättningar att en synkroniserad kollektiv rörelse uppstår ur denna dragkamp.
När det aktiva fasta ämnet helt enkelt placeras på golvet, riktar sig Hexbugs spontant ihop och hela det fasta ämnet börjar röra sig genom laboratoriet. Vad händer om vi hakar fast det fasta i dess kanter? I det här fallet observeras en ny typ av kollektiv rörelse inuti det solida:Alla element i nätverket svänger på ett periodiskt och synkroniserat sätt runt sin jämviktsposition.
För att förklara detta "kollektiv aktivering"-fenomen varierade forskarna parametrarna för experimentet, såsom fjädrarnas styvhet eller nätverkets form. De visade att kollektiv aktivering är resultatet av kombinationen av aktiviteten hos Hexbugs och nätverkslänkarnas elasticitet, vilket gör att strukturen deformeras och varje Hexbug kan orientera sig som svar på denna deformation. Teamet har modellerat och numeriskt reproducerat de observerade beteendena, inklusive i system med flera tusen aktiva agenter. Denna spontana kollektiva aktivering påminner om de rörelser som observeras i viss celldynamik, särskilt i vissa hudvävnader, som därför kunde förstås bättre i ljuset av detta arbete. + Utforska vidare
