Dansurile robotizate spontane subliniază un nou tip de ordine în materie activă

Setul de puncte ca florile reprezintă toate formele posibile pe care le poate lua pachetul de smarticle. În concordanță cu teoria zgomotului, cele mai frecvente forme sunt, de asemenea, cele mai regulate cu cel mai mic zgomot (prezentat în albastru). Credit: Thomas A. Berrueta

Predicția când și cum colecțiile de particule, roboți sau animale devin regulate rămâne o provocare în știință și inginerie.

În secolul al XIX-lea, oamenii de știință și inginerii au dezvoltat disciplina mecanicii statistice, care prezice modul în care grupurile de particule simple trec între ordine și tulburare, ca atunci când o colecție de atomi care se ciocnesc aleator îngheață pentru a forma o rețea cristalină uniformă.

Cele mai provocatoare preziceri sunt comportamentele colective care pot fi realizate atunci când particulele devin mai complicate, astfel încât să se poată deplasa sub propria lor putere. Acest tip de sistem – observat la turmele de păsări, coloniile bacteriene și efectivele de roboți – se numește „ingredient activ”.

După cum sa raportat în jurnalul din 1 ianuarie 2021 ştiinţă, o echipă de fizicieni și ingineri au propus un nou principiu prin care sistemele de materie activă pot comanda spontan, fără a fi nevoie de instrucțiuni de nivel superior sau chiar de interacțiuni programate între agenți. Și au demonstrat acest principiu într-o varietate de sisteme, inclusiv grupuri de roboți care își schimbă forma periodic numite „smarticle” – particule inteligente, active.

Smarticles ambreiaj

Când o turmă inteligentă este interacționată într-un spațiu restrâns, acestea formează dansuri uimitor de simetrice, a căror coregrafie reiese spontan din fizica zgomotului redus. Credit: Thomas A. Berrueta

Teoria, dezvoltată de postdoctoratul Pavel Chvykov la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, în timp ce un student al prof. Jeremy England, care este acum cercetător la Școala de Fizică de la Georgia Institute of Technology, afirmă că anumite tipuri de dinamică a materiei active vor găsi spontan ceea ce cercetătorii denumesc state „slabe”.

„Zgomotul este atunci când materia ia energie care curge în ea și o transformă în mișcare aleatorie”, a spus Anglia. „Zgomotul poate fi mai mare fie atunci când mișcarea este mai violentă, fie mai casuală. Mai degrabă, zgomotul redus este fie prea ușor, fie prea organizat – sau ambele. Deci, ideea este că, dacă materia și sursa dvs. de energie permit posibilitatea unei stări de șoc reduse, sistemul va fi amestecat aleatoriu până când va găsi acea stare și apoi va rămâne blocat acolo. Dacă furnizați energie prin forțe cu un anumit model, înseamnă că statul ales va descoperi un mod de a mișca problema care se potrivește bine cu acel model. “

Pentru a-și dezvolta teoria, Anglia și Chvykov s-au inspirat dintr-un fenomen – numit termoforeză – descoperit de fizicianul elvețian Charles Soret la sfârșitul secolului al XIX-lea. În experimentele lui Soret, el a descoperit că supunerea unei soluții inițiale omogene de sare la un tub la o modificare a temperaturii ar duce spontan la o creștere a concentrației de sare în regiunea mai rece – corespunzătoare unei creșteri a ordinii soluției. .

Chvykov și Anglia au dezvoltat numeroase modele matematice pentru a demonstra principiul șocului redus, dar numai atunci când l-au contactat pe Daniel Goldman, profesor de fizică la familia Dunn de la Georgia Institute of Technology, au putut să-și testeze predicțiile.

Cluster simetric de istețime

Când o turmă inteligentă este interacționată într-un spațiu restrâns, acestea formează dansuri uimitor de simetrice, a căror coregrafie reiese spontan din fizica zgomotului redus. Credit: Thomas A. Berrueta

Goldman a spus: „Acum câțiva ani, am văzut Anglia susținând un seminar și m-am gândit că unii dintre roboții noștri inteligenți ar merita să dovedească această teorie”. Lucrând cu Chvykov, care a vizitat laboratorul Goldman, doctorat. studenții William Savoie și Akash Vardhan au folosit trei inteligenți ciocniți închiși într-un inel pentru a compara experimentele cu teoria. Studenții au observat că, în loc să afișeze dinamici complicate și să exploreze complet containerul, roboții s-ar autoorganiza spontan în mai multe dansuri – de exemplu, un dans constă din trei roboți care se prăbușesc unul în brațul celuilalt în ordine. Aceste dansuri pot continua sute de ciocniri, dar își pierd brusc stabilitatea și sunt înlocuite de un dans de alt tipar.

După ce a demonstrat pentru prima dată că aceste dansuri simple erau cu adevărat discrete, Chvykov a lucrat cu inginerii din Universitatea Northwestern, Prof. Todd Murphey și dr. studentul Thomas Berrueta, care a dezvoltat o ingeniozitate mai rafinată și mai bine controlată. Smarticulele îmbunătățite au permis cercetătorilor să testeze limitele teoriei, inclusiv modul în care s-au schimbat tipurile și numărul de dansuri pentru diferite modele de coliziune aripilor și modul în care aceste dansuri ar putea fi controlate. „Prin controlul secvențelor cu șoc redus, am reușit să obținem sistemul să realizeze configurații care să funcționeze util”, a spus Berrueta. Cercetătorii Universității din Nord-Vest spun că aceste descoperiri ar putea avea implicații practice de anvergură pentru efectivele microbiotice, substanțele active și metamaterialele.

După cum a remarcat Anglia: „Pentru turmele de roboți, este vorba de a obține o mulțime de comportamente adaptative și inteligente de grup pe care le puteți crea pentru a fi realizate într-o singură turmă, chiar dacă indivizii robotului sunt relativ liberi și ușor de calculat. . Pentru celulele vii și materialele noi, ar putea avea legătură cu înțelegerea a ceea ce vă poate aduce „pachetul” de atomi sau proteine, în ceea ce privește materialele noi sau proprietățile de calcul. “

Referință: „Zgomot redus: un principiu predictiv pentru autoorganizarea în colectivele active” de Pavel Chvykov, Thomas A. Berrueta, Akash Vardhan, William Savoie, Alexander Samland, Todd D. Murphey, Kurt Wiesenfeld, Daniel I. Goldman și Jeremy L Anglia, 1 ianuarie 2021, ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abc6182

Echipa de studiu din Georgia Tech include Jeremy L. England, un om de știință în fizica sistemelor vii, care cercetează cu Școala de fizică; Profesorul familiei Dunn, Daniel Goldman; profesorul Kurt Wiesenfeld și studenții absolvenți Akash Vardhan (Biosciences Quantitative) și William Savoie (School of Physics). Se alătură lui Pavel Chvykov (Institutul de Tehnologie din Massachusetts), împreună cu profesorul Todd D. Murphey și studenții absolvenți Thomas A. Berrueta și Alexander Samland de la Universitatea Northwestern.

Acest material se bazează pe munca susținută de Oficiul de Cercetare al Armatei în cadrul premiilor ARO W911NF-18-1-0101, ARO WALL Award W911NF-19-1-0233, ARO W911NF-13-1-0347, de la Fundația Națională of Science under dă PoLS-0957659, PHY-1205878, PHY-1205878, PHY-1205878 și DMR-1551095, NSF CBET-1637764, de Grant of James S. McDonnell Foundation Researcher 220020476 și profesor al Dunn Dunn Family Institute of Technology. Orice opinii, constatări și concluzii sau recomandări exprimate în acest material sunt cele ale autorilor și nu reflectă neapărat punctele de vedere ale agențiilor sponsorizante.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.