При взаимодействии самодвижущихся объектов друг с другом могут происходить интересные явления. Птицы выравниваются друг с другом, когда собираются вместе. Люди на концерте спонтанно создают вихри, когда толкаются и натыкаются друг на друга. Вместе огненные муравьи создают плоты, плавающие на поверхности воды.
Хотя многие из этих взаимодействий происходят посредством прямого контакта, например, подталкивание посетителей концерта, некоторые взаимодействия могут передаваться через материал, на котором или в котором находятся объекты, — такие взаимодействия известны как непрямые взаимодействия. Например, мост с пешеходами на нем может передавать вибрации, как в знаменитом примере «шаткого моста» моста Тысячелетия.
В то время как результаты прямых взаимодействий (таких как подталкивание) вызывают растущий интерес и исследования, а результаты непрямых взаимодействий через такие механизмы, как зрение, хорошо изучены, исследователи все еще изучают косвенные механические взаимодействия (например, как два катящихся мяча могут влиять на движения друг друга на батуте, вдавливая поверхность батута своим весом, таким образом прилагая механические усилия без соприкосновения).
Физики используют небольших колесных роботов, чтобы лучше понять эти непрямые механические взаимодействия, их роль в активной материи и то, как мы можем ими управлять. Их результаты «Роботизированное плавание в искривленном пространстве через геометрическую фазу» недавно опубликованы в The Proceedings of the National Academy of Sciences.
В статье под руководством Шэнкай Ли, бывшего доктора философии. Студент физического факультета Технологического института Джорджии, ныне научный сотрудник Центра физики биологических функций (CPBF) Принстонского университета, исследователи продемонстрировали, что активное вещество на деформируемых поверхностях может взаимодействовать с другими посредством бесконтактной силы, а затем создали модель для позволяют контролировать коллективное поведение движущихся объектов на деформируемых поверхностях с помощью простых изменений в конструкции роботов.
В число соавторов входят соавторы Технической школы физики Джорджии Дэниел Голдман, профессор семьи Данн; Гунцзе Ли, доцент; и аспирант Хуссейн Гинай — вместе с Пабло Лагуной и Габриэллой Смолл (Техасский университет в Остине), Ясемин Озкан-Айдин (Университет Нотр-Дам), Дженнифер Ризер (Университет Эмори), Чарльзом Сяо (Калифорнийский университет, Санта-Барбара).
Значение этого исследования простирается от биологии до общей теории относительности . «Отображение общих релятивистских систем — это прорыв в объединении области общей релятивистской динамики и области активной материи», — пояснил Ли из Технологического института Джорджии. «Это открывает новое окно, чтобы лучше понять динамические свойства в обоих полях».
«Наша работа — первая, в которой представлена точка зрения о том, что систему активной материи можно преобразовать в динамическую геометрию пространства-времени — и, таким образом, получить представление о системе, заимствуя инструменты общей теории относительности Эйнштейна», — добавил Лагуна.
Установка сцены
Исследователи построили роботов, которые двигались с постоянной скоростью по ровной поверхности. Столкнувшись с поверхностью с уклонами и изгибами, эти роботы поддерживали постоянную скорость, переориентируясь и поворачиваясь. Величина поворота робота зависит от того, насколько крутым был склон или кривая.
Когда этих роботов поместили на круглую поверхность, похожую на батут, исследователи смогли проследить, как роботы поворачиваются в ответ на изменение поверхности, потому что роботы создавали новые провалы на поверхности во время движения, вдавливая ее своим весом. Система над головой отслеживала продвижение роботов по батуту, записывая их траектории.
Исследователи начали с проверки того, как только один робот может двигаться 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 «петлей» (прецессия афелии) зависит от начального состояния и центрального углубления батута.
«Мы были взволнованы и удивлены тем, что пути, по которым шел робот, — прецессионные эллипсы — были очень похожи на те, что прослеживаются небесными телами, такими как Марс, и объяснялись общей теорией относительности Эйнштейна», — сказал Голдман из Технологического института Джорджии.
Взаимодействие нескольких роботов
Когда к батуту добавили больше роботов, исследователи обнаружили, что деформации, вызванные весом каждого робота, изменили их траектории на батуте.
Исследователи предположили, что увеличение скорости роботов за счет изменения наклона тела робота может помочь смягчить наблюдаемые столкновения. После нескольких испытаний с двумя транспортными средствами они смогли подтвердить свою теорию.
Решение исследователей подтвердилось, когда на поверхность было добавлено больше роботов.
Затем исследователи мгновенно меняли скорость роботов, регулируя наклон с помощью микроконтроллера и текущих показаний внутреннего измерительного блока.
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 как множество бесконечно малых соединенных пружин, образующих поверхность; пружины могут деформироваться, когда по ним движется транспорт», — объяснил Ли из Принстонского университета.
В симуляции, созданной с использованием модели пружины исследователей, два транспортных средства движутся и сливаются, косвенно притягивая друг друга за счет деформации эластичной мембраны под ними, что иногда приводит к столкновению, как когда команда поместила несколько роботов на батут.
Общая модель работает для управления проектированием инженерных схем, таких как скорость и наклон исследовательских роботов, для управления коллективным поведением активной материи на деформируемых поверхностях (например, сталкиваются ли роботы на батуте или нет).
От робототехники к общей теории относительности: междисциплинарные приложения
Исследователям, использующим биомимикрию для создания роботов, работа команды может помочь разработать конструкции робототехники, 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 могли бы вдохновить роботов-биоподражателей, включают утят, плавающих за своей матерью. Включив эту работу по агрегации в их дизайн, исследование также может помочь этим роботам работать вместе для коллективного выполнения задач.
Исследователи добавляют, что работа может также способствовать пониманию общей теории относительности.
«Наша обычная визуализация общей теории относительности — это шарики, катящиеся по эластичному листу», — объяснил Ли, ведущий автор статьи. «Это изображение демонстрирует идею о том, что материя сообщает пространству-времени, как искривляться, а пространство-время говорит материи, как двигаться. Поскольку наша модель может создавать устойчивые орбиты, она также может решить общие проблемы предыдущих исследований: с помощью этой новой модели исследователи получили способность отображать точные системы общей теории относительности, включая такие явления, как статическая черная дыра».