Le interazioni tra persone o oggetti possono avvenire per contatto diretto, o possono trasmettersi attraverso il materiale su cui gli oggetti si trovano. Queste ultime sono le cosiddette interazioni indirette. Per esempio, un ponte su cui sono presenti dei pedoni può trasmettere delle vibrazioni, come nel caso del famoso "ponte traballante" del Millennium Bridge.
I risultati delle interazioni dirette sono sempre più interessanti e studiati. Mentre quelli delle interazioni indirette attraverso meccanismi come la visione sono ben studiati, i ricercatori stanno ancora imparando a conoscere le interazioni meccaniche indirette.
I fisici stanno usando piccoli robot su ruote per comprendere meglio queste interazioni meccaniche indirette, il loro ruolo nella materia attiva e il modo in cui possiamo controllarle. Le loro scoperte, "Field-mediated locomotor dynamics on highly deformable surfaces" sono state recentemente pubblicate nei Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
La ricerca è stata condotta da Shengkai Li, borsista del Center for the Physics of Biological Function (CPBF) dell'Università di Princeton. Coautori sono Daniel Goldman, professore alla Georgia Tech, il professor Gongjie Li e Hussain Gynai. Hanno collaborato anche Pablo Laguna e Gabriella Small dell’Università del Texas ad Austin; Yasemin Ozkan-Aydin dell’Università di Notre Dame; Jennifer Rieser dell’Emory University e Charles Xiao dell’Università della California, Santa Barbara.
Lo scopo della ricerca
Nell'articolo i ricercatori hanno illustrato come la materia attiva sulle superfici deformabili possa interagire con gli altri attraverso la forza senza contatto. Gli studiosi hanno creato un modello che consente di controllare il comportamento collettivo degli oggetti in movimento sulle superfici deformabili attraverso semplici cambiamenti nell'ingegneria dei robot.
L'importanza di questa ricerca spazia dalla biologia alla relatività generale. La mappatura dei sistemi relativistici generali è un passo avanti per unire il campo della dinamica relativistica generale a quello della materia attiva. Apre infatti una nuova finestra per comprendere meglio le proprietà dinamiche in entrambi i campi.
Le osservazioni dei ricercatori
I ricercatori hanno costruito dei robot che viaggiavano a velocità costante su un terreno pianeggiante. Quando incontravano una superficie con avvallamenti e curve, questi robot mantenevano la velocità costante riorientandosi e girando. La quantità di rotazione del robot dipendeva dalla pendenza o dalla curva.
Quando i ricercatori hanno posizionato i robot su una superficie circolare simile a un trampolino, sono stati in grado di monitorare il modo in cui i robot giravano in risposta al cambiamento della superficie, perché i robot creavano nuovi avvallamenti nella superficie mentre si muovevano, comprimendola con il loro peso. Un sistema aereo ha seguito i progressi dei robot sul trampolino, registrando i loro percorsi.
I ricercatori hanno iniziato a testare il movimento di un solo robot sul trampolino e hanno scoperto che potevano costruire un modello matematico per prevedere il movimento del veicolo. Utilizzando gli strumenti della relatività generale per mappare le orbite e il movimento in uno spaziotempo curvo, hanno dimostrato che si poteva modificare qualitativamente la precessione rendendo il veicolo più leggero. Questo modello spiega la proprietà orbitale: come il movimento delle "anse" mostrate nel video del team (la precessione dell'afelio) dipenda dalla condizione iniziale e dalla depressione centrale del trampolino.
"Eravamo eccitati e divertiti dal fatto che i percorsi del robot assomigliassero molto a quelli tracciati da corpi celesti come Marte e spiegati dalla teoria della relatività generale di Einstein". Ha commentato Goldman, della Georgia Tech Physics.
Interazioni tra più robot
Quando sono stati aggiunti altri robot al trampolino, le deformazioni causate dal peso di ciascun robot cambiavano i reciproci percorsi attraverso il trampolino.
I ricercatori hanno ipotizzato che aumentare la velocità dei robot modificando l'inclinazione del loro corpo potesse contribuire a mitigare le collisioni osservate. Dopo diversi test con due veicoli, sono riusciti a confermare la loro teoria.
La soluzione dei ricercatori ha funzionato anche quando sono stati aggiunti altri robot alla superficie.
In seguito, i ricercatori hanno variato la velocità dei robot in modo istantaneo, regolando l'inclinazione grazie a un microcontrollore e alle letture in tempo reale di un'unità di misura interna.
Infine, i ricercatori hanno utilizzato le loro osservazioni per creare un modello per il caso multirobot. "Per capire come si deformava la membrana elastica in presenza di più veicoli, abbiamo immaginato la membrana come una serie di molle infinitesimali collegate tra loro che formano la superficie; le molle possono deformarsi quando i veicoli si muovono su di esse". Ha spiegato Li, dell'Università di Princeton.
Nella simulazione con il modello a molla, i due veicoli si muovono e si uniscono, attraendosi indirettamente attraverso la deformazione della membrana elastica sottostante. Ciò provoca talvolta una collisione, proprio come quando il team ha posizionato più robot su un trampolino.
Il modello generale serve a guidare la progettazione di schemi ingegneristici per controllare il comportamento collettivo della materia attiva su superfici deformabili.
Dalla robotica alla relatività generale: applicazioni interdisciplinari
Per i ricercatori che utilizzano la biomimetica per costruire robot, questo lavoro potrebbe contribuire nei progetti di robotica che evitano o utilizzano l'aggregazione. Per esempio, il SurferBot, un semplice vibrobot in grado di sfiorare la superficie dell'acqua, è stato originariamente ispirato dalle api mellifere che si fanno strada fuori dall'acqua. Altri sistemi che potrebbero ispirare i robot biomimetici sono gli anatroccoli che nuotano dietro alla madre. Incorporando questo lavoro sull'aggregazione nel loro progetto, la ricerca potrebbe anche aiutare questi robot a lavorare insieme per portare a termine collettivamente dei compiti.
I ricercatori aggiungono che il lavoro potrebbe anche far progredire la comprensione della relatività generale.
"La nostra visualizzazione convenzionale della relatività generale è quella di biglie che rotolano su un foglio elastico". Spiega Li, autore principale del lavoro. "Questa visualizzazione dimostra l'idea che la materia dice allo spaziotempo come curvarsi e lo spaziotempo dice alla materia come muoversi. Poiché il nostro modello è in grado di creare orbite stazionarie, può anche superare i problemi comuni degli studi precedenti: con questo nuovo modello, i ricercatori hanno la possibilità di mappare esattamente i sistemi della relatività generale, compresi fenomeni come un buco nero statico".
