Des danses robotiques spontanées mettent en évidence un nouveau type d’ordre dans la matière active –

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  • Prédire quand et comment les collections de particules, de robots ou d’animaux deviennent ordonnées reste un défi pour la science et l’ingénierie.

    Au 19e siècle, les scientifiques et les ingénieurs ont développé la discipline de la mécanique statistique, qui prédit comment des groupes de particules simples passent de l’ordre au désordre, comme lorsqu’une collection d’atomes en collision aléatoire se fige pour former un réseau cristallin uniforme.

    Les comportements collectifs qui peuvent être atteints lorsque les particules deviennent plus compliquées, de sorte qu’elles peuvent se déplacer par leur propre puissance, sont plus difficiles à prédire. Ce type de système – observé dans les troupeaux d’oiseaux, les colonies bactériennes et les essaims de robots – porte le nom de «matière active».

    Tel que rapporté dans le numéro du 1er janvier 2021 de la revue Science, une équipe de physiciens et d’ingénieurs a proposé un nouveau principe selon lequel les systèmes de matière active peuvent commander spontanément, sans avoir besoin d’instructions de niveau supérieur ni même d’interaction programmée entre les agents. Et ils ont démontré ce principe dans une variété de systèmes, y compris des groupes de robots à changement de forme périodiques appelés «smarticles» – des particules intelligentes et actives.

    La théorie, développée par le Dr Pavel Chvykov au Massachusetts Institute of Technology alors qu’un étudiant du professeur Jeremy England, qui est maintenant chercheur à la School of Physics du Georgia Institute of Technology, postule que certains types de matière active avec suffisamment de désordre la dynamique trouvera spontanément ce que les chercheurs appellent des états de «faible cliquetis».

    “Le cliquetis, c’est quand la matière prend l’énergie qui y circule et la transforme en mouvement aléatoire”, a déclaré l’Angleterre. “Le cliquetis peut être plus important lorsque le mouvement est plus violent, ou plus aléatoire. Inversement, un cliquetis faible est soit très léger, soit très organisé – ou les deux. Donc, l’idée est que si votre matière et votre source d’énergie permettent un état de faible cliquetis, le système se réorganise aléatoirement jusqu’à ce qu’il trouve cet état, puis reste bloqué là-bas. Si vous fournissez de l’énergie par des forces avec un modèle particulier, cela signifie que l’état sélectionné découvrira un moyen de déplacer la matière qui correspond finement à modèle.”

    Pour développer leur théorie, l’Angleterre et Chvykov se sont inspirés d’un phénomène – surnommé – découvert par le physicien suisse Charles Soret à la fin du 19e siècle. Dans les expériences de Soret, il a découvert que soumettre une solution de sel initialement uniforme dans un tube à une différence de température conduirait spontanément à une augmentation de la concentration de sel dans la région plus froide – ce qui correspond à une augmentation de l’ordre de la solution.

    Chvykov et l’Angleterre ont développé de nombreux modèles mathématiques pour démontrer le principe du faible cliquetis, mais ce n’est qu’après avoir contacté Daniel Goldman, professeur de physique de la famille Dunn au Georgia Institute of Technology, qu’ils ont pu tester leurs prédictions.

    Goldman a déclaré: “Il y a quelques années, j’ai vu l’Angleterre donner un séminaire et j’ai pensé que certains de nos robots smarticle pourraient s’avérer utiles pour tester cette théorie.” En collaboration avec Chvykov, qui a visité le laboratoire de Goldman, Ph.D. les étudiants William Savoie et Akash Vardhan ont utilisé trois smarticles battants enfermés dans un anneau pour comparer les expériences à la théorie. Les élèves ont observé qu’au lieu d’afficher une dynamique compliquée et d’explorer complètement le conteneur, les robots s’auto-organisaient spontanément en quelques danses – par exemple, une danse consiste en trois robots se giflant les bras l’un après l’autre. Ces danses peuvent persister pendant des centaines de volets, mais perdent soudainement leur stabilité et sont remplacées par une danse d’un schéma différent.

    Après avoir d’abord démontré que ces danses simples étaient en effet des états de faible bruit, Chvykov a travaillé avec des ingénieurs de l’Université Northwestern, le professeur Todd Murphey et un doctorat. l’étudiant Thomas Berrueta, qui a développé des smarticles plus raffinés et mieux contrôlés. Les smarticles améliorés ont permis aux chercheurs de tester les limites de la théorie, y compris la façon dont les types et le nombre de danses variaient pour différents modèles de battements de bras, ainsi que la façon dont ces danses pouvaient être contrôlées. “En contrôlant les séquences d’états à faible cliquetis, nous avons pu faire en sorte que le système atteigne des configurations qui font un travail utile”, a déclaré Berrueta. Les chercheurs de l’Université Northwestern affirment que ces résultats pourraient avoir de vastes implications pratiques pour les essaims microrobotiques, la matière active et les métamatériaux.

    Comme l’a noté l’Angleterre: «Pour les essaims de robots, il s’agit d’obtenir de nombreux comportements de groupe adaptatifs et intelligents que vous pouvez concevoir pour qu’ils soient réalisés en un seul essaim, même si les robots individuels sont relativement bon marché et simples de calcul. Pour les cellules vivantes et les nouveaux matériaux, il pourrait être de comprendre ce que l ‘«essaim» d’atomes ou de protéines peut vous apporter, en ce qui concerne les nouvelles propriétés matérielles ou informatiques. “

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