Как автоматически остановить толпу активных роботов?
Учёные из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) и Университета Ла Сапиенца в Риме обнаружили, что динамику роботов можно автоматически остановить, используя принцип порогового статического трения с поверхностью. Это трение эффективно удаляет кинетическую энергию двух роботов после их взаимного столкновения, так что они больше не могут прийти в движение.
Описание явления
Исследователи [описывают](https://www.nature.com/articles/s41467-025-62626-9) в журнале Nature Communications, что этот фундаментальный эффект можно использовать для создания управляемых движущихся робототехнических систем.
Трение создаёт тепло, как известно любому, кто тёр руки в зимнюю погоду. И трение требует энергии. Например, трение дороги о шины автомобиля заставляет движущийся автомобиль постепенно замедляться, если не использовать педаль газа.
Два твёрдых тела, одно на другом, не будут двигаться, даже если их слегка наклонить, потому что статическое трение удерживает их вместе. Только когда будет достигнут критический угол наклона, верхнее тело начнёт скользить, преодолев трение за счёт силы тяжести. Физики называют это «сухим» статическим трением (без смазки), также известным как трение Кулона.
Эффект трения Кулона на движение
Эффект трения Кулона на движение важен во многих сценариях применения. Например, когда зёрна должны высыпаться из силоса, движущая сила или «активность» не постоянна, а колеблется. Это приводит к сложному движению «стоп-старт», когда одна частица движется, пока не замедлится из-за неблагоприятной флуктуации, а затем останавливается из-за статического трения, чтобы снова начать движение, когда произойдёт следующая благоприятная флуктуация. В физике частицу в состоянии покоя называют «холодной», а частицу в движении — «горячей». Таким образом, статическое трение в конечном итоге вызывает охлаждение активных частиц.
В сотрудничестве с профессором Лоренцо Каприни из Рима группа физиков под руководством профессора Хартмута Лоуэна из Института теоретической физики II в Университете Генриха Гейне в Дюссельдорфе изучила поведение множества таких активных объектов. В демонстрационном эксперименте сотни мини-роботов, напечатанных на 3D-принтере, хаотично перемещались, приводимые в движение вертикально вибрирующей пластиной.
Движение и столкновения
Перемещаясь, роботы-рои постоянно сталкивались друг с другом. При высокой плотности и низкой движущей силе вблизи порога статическое трение вступает в силу во время столкновений, многократно заставляя сталкивающиеся частицы (роботов) прекращать движение. Со временем это приводит к образованию кластеров неподвижных роботов, то есть «холодных».
Профессор Ловен отмечает: «Интересно, что при больших кластерах, которые динамически изменяются, возникает смешанная конфигурация, в которой холодные области сосуществуют с горячими. В равновесии это невозможно, поскольку такие температурные различия немедленно нейтрализовали бы друг друга за счёт столкновений».
Ведущий автор исследования доктор Александр Антонов в ходе обширного компьютерного моделирования, проведённого в Университете Генриха Гейне в Дюссельдорфе, обнаружил аналогичное поведение, пока пороговый принцип оставался основополагающим. «Мы достигли того, о чём мечтают многие физики-теоретики — понять физический механизм, стоящий за экспериментальным явлением, и впоследствии воспроизвести его в численном компьютерном моделировании».
Профессор Каприни считает, что у этого явления есть потенциал для будущих применений: «Ключевым моментом является то, что для охлаждения системы не требуется никакого внешнего вмешательства. Вместо этого роботы охлаждают себя за счёт столкновений».
Профессор Ловен отмечает: «Этот неожиданный эффект охлаждения может быть использован в будущем для автоматического управления целыми армиями роботов или коллективным поведением сыпучих материалов без внешнего вмешательства».
Предоставлено [Университетом Генриха Гейне в Дюссельдорфе](https://phys.org/partners/heinrich-heine-university-duesseldorf/).