Как автоматически остановить толпу активных роботов? За счёт самоподдерживающегося ограничения их динамики. Это явление открыли физики из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) и Университета Ла Сапиенца в Риме. Здесь решающую роль играет пороговый принцип статического трения с поверхностью: оно настолько эффективно удаляет кинетическую энергию двух роботов после взаимного столкновения, что они больше не могут прийти в движение.
Исследователи описывают в журнале Nature Communications, что этот фундаментальный эффект можно использовать для создания управляемых движущихся роботизированных систем.
Всем известно, что трение создаёт тепло — например, когда зимой потираешь руки. Трение требует затрат энергии. Например, трение дороги о шины автомобиля приводит к тому, что движущаяся машина будет неуклонно замедляться, если не нажимать на 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, как только трение будет преодолено силой тяжести. Физики называют это «сухим» статическим трением (без смазки), также известным как трение Кулона.
Влияние трения Кулона на движение важно во многих сценариях применения. Например, когда предполагается, что зёрна должны высыпаться из силоса, движущая сила или «активность» непостоянна, а колеблется. Это приводит к сложному движению «туда-сюда», когда одна частица движется до тех пор, пока не будет замедлена неблагоприятным колебанием, а затем останавливается статическим трением, чтобы снова начать движение, когда произойдёт следующее благоприятное колебание. 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 Лёвена из Института теоретической физики II при Университете Генриха Гейне в Дюссельдорфе изучила поведение множества таких активных объектов. В демонстрационном эксперименте сотни мини-роботов, напечатанных на 3D-принтере, сновали туда-сюда, приводимые в движение вертикально вибрирующей пластиной.
Перемещаясь, роботы из роя постоянно сталкивались друг с другом. При высокой плотности и низкой движущей силе вблизи порога статическое трение вступает в силу во время столкновений, неоднократно заставляя сталкивающиеся частицы (роботов) прекращать движение. Со временем это приводит к образованию кластеров неподвижных роботов, то есть «холодных».
Профессор Лёвен отмечает: «Интересно, что при больших кластерах, которые динамически изменяются, возникает смешанная конфигурация, в которой холодные области сосуществуют с горячими. В состоянии равновесия 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 и точно воспроизводящего эксперимент, обнаружил аналогичное поведение, пока в основе лежит пороговое поведение. «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 приложений: «Ключевым моментом является то, что для охлаждения системы не требуется никакого внешнего вмешательства. Вместо этого роботы охлаждают себя за счёт столкновений».
Профессор Лёвен 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.