Une étude révèle une voie alternative pour réaliser de la matière active programmable
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La miniaturisation progresse rapidement dans n’importe quel domaine et la tendance à la création d’unités de plus en plus petites est également répandue dans le monde de la technologie robotique. À l’avenir, de minuscules robots utilisés dans des applications médicales et pharmaceutiques pourraient être en mesure de transporter des médicaments vers des sites ciblés du corps. La physique statistique peut contribuer aux fondations du développement de telles technologies. Une équipe de chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) a maintenant adopté une nouvelle approche de la question en analysant un groupe de robots et leur comportement en tant que collectifs d’unités mobiles basées sur le modèle des particules browniennes actives. Les découvertes de l’équipe démontrant qu’il peut y avoir une voie alternative pour réaliser de la matière active programmable ont été publiées dans Avancées scientifiques.
Des collectifs d’unités robotiques pourraient résoudre des tâches qu’une seule machine ne peut pas résoudre seule
Les chercheurs recherchent de nouvelles façons d’effectuer des tâches à l’échelle micro et nano qui sont autrement difficiles à réaliser, d’autant plus que la miniaturisation des dispositifs et des composants commence à atteindre des limites physiques. Une nouvelle option envisagée est l’utilisation de collectifs d’unités robotiques à la place d’un seul robot pour accomplir une tâche. “Les capacités de résolution de tâches d’un microrobot sont limitées en raison de sa petite taille”, a déclaré le professeur Thomas Speck, qui a dirigé l’étude à l’Université de Mayence. “Mais un collectif de tels robots travaillant ensemble pourrait bien être en mesure de mener à bien des missions complexes avec un succès considérable.” La physique statistique devient ici pertinente en ce qu’elle analyse des modèles pour décrire comment un tel comportement collectif peut émerger d’interactions, comparable au comportement des oiseaux lorsqu’ils se rassemblent.
L’équipe de recherche a étudié le comportement collectif d’un certain nombre de petits robots disponibles dans le commerce. Ces soi-disant déambulateurs sont propulsés par des vibrations internes transmises à deux rangées de pattes minuscules. Parce que la longueur, la forme et la rigidité des jambes diffèrent légèrement d’un robot à l’autre, elles suivent des orbites circulaires avec un rayon spécifique à chaque marcheur. Ressemblant et se déplaçant comme de petits coléoptères, ces robots ont une forme elliptique et sont envoyés dans une nouvelle direction lorsqu’ils se heurtent.
“Notre objectif était d’examiner et de décrire le comportement collectif de ces robots et de déterminer s’il était possible d’en tirer des utilisations potentielles”, a ajouté Frank Siebers, auteur principal de l’article. “En même temps, nous, en tant que physiciens, étions également intéressés par les phénomènes en soi.” Les chercheurs ont pu observer deux effets lorsque le collectif de robots présente des variations au niveau de leurs orbites, c’est-à-dire dans un groupe présentant une plus grande diversité. D’une part, les promeneurs ont mis moins de temps à explorer l’espace dans lequel ils étaient placés. Et d’autre part, confinés dans un espace clos, ils ont commencé à subir un tri auto-organisé. En fonction de leur rayon orbital, les robots se sont soit accumulés au niveau du mur de confinement, soit ont commencé à se rassembler à l’intérieur de l’espace.
La physique statistique donne un aperçu du comportement des collectifs
“Il serait possible d’exploiter ce type d’activité pour amener des robots à transporter une charge et à interagir avec cette charge, par exemple. La vitesse à laquelle ils pourraient traverser les espaces augmenterait, ce qui signifierait que la charge serait livrée plus tôt “, a déclaré le professeur Thomas Speck, décrivant une application potentielle. “La physique statistique peut aider à découvrir de nouvelles stratégies qui peuvent être utilisées par des collectifs de robots.”
Le domaine des modèles de matière active et de la robotique couvre de nombreux domaines du monde vivant et non vivant dans lesquels un comportement collectif ou un mouvement collectif peut être observé, un exemple frappant étant la façon dont les volées d’oiseaux se déplacent à l’unisson. “Ce que nous avons fait ici, c’est appliquer la théorie qui sous-tend notre compréhension du regroupement et de l’essaimage aux systèmes robotiques”, a déclaré Frank Siebers de JGU.
La recherche a été financée sous l’égide du Centre de recherche collaborative / TRR 146 sur les méthodes de simulation multi-échelles pour les systèmes de matière molle, un projet coopératif impliquant l’Université Johannes Gutenberg de Mayence, TU Darmstadt et l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. Les chercheurs ont basé leurs conclusions sur les résultats de leurs expériences ainsi que sur des calculs modèles effectués sur le supercalculateur MOGON II de JGU. Chercheur principal, le professeur Thomas Speck a occupé un poste de professeur à l’Institut de physique JGU de 2013 à 2022. Il est actuellement à la tête de l’Institut de physique théorique IV de l’Université de Stuttgart.
