Des mini-robots apprennent à « nager » sur des surfaces extensibles


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  • Lorsque des objets autopropulsés interagissent les uns avec les autres, des phénomènes intéressants peuvent se produire. Les oiseaux s’alignent les uns avec les autres lorsqu’ils se regroupent. Les gens d’un concert créent spontanément des tourbillons lorsqu’ils se bousculent et se bousculent. Les fourmis de feu travaillent ensemble pour créer des radeaux qui flottent à la surface de l’eau.

    Alors que bon nombre de ces interactions se produisent par contact direct, comme le coup de coude des spectateurs, certaines interactions peuvent se transmettre à travers le matériau sur lequel se trouvent les objets ou dans lesquels elles sont connues sous le nom d’interactions indirectes. Par exemple, un pont avec des piétons dessus peut transmettre des vibrations, comme dans le célèbre cas du « pont oscillant » du Millennium Bridge.

    Alors que les résultats des interactions directes (comme le coup de pouce) suscitent un intérêt et des études croissants, et que les résultats des interactions indirectes via des mécanismes tels que la vision sont bien étudiés, les chercheurs en apprennent encore sur les interactions mécaniques indirectes (par exemple, comment deux balles roulantes pourraient influencer mouvement de l’autre sur un trampoline en indentant la surface du trampoline avec leur poids, exerçant ainsi des forces mécaniques sans se toucher).

    Les physiciens utilisent de petits robots à roues pour mieux comprendre ces interactions mécaniques indirectes, comment elles jouent un rôle dans la matière active et comment nous pouvons les contrôler. Leurs découvertes, « Field-mediated locomotor dynamics on highly deformable surfaces » sont récemment publiées dans le Les actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

    Dans l’article, dirigé par Shengkai Li, ancien Ph.D. Étudiant à l’École de physique de Georgia Tech, maintenant boursier du Centre pour la physique de la fonction biologique (CPBF) à l’Université de Princeton, les chercheurs ont illustré que la matière active sur des surfaces déformables peut interagir avec d’autres par une force sans contact – puis ont créé un modèle permettre le contrôle du comportement collectif d’objets en mouvement sur des surfaces déformables par de simples changements dans l’ingénierie des robots.

    Les co-auteurs incluent les co-auteurs de la Georgia Tech School of Physics Daniel Goldman, professeur de la famille Dunn; Gongjie Li, professeur adjoint ; et étudiant diplômé Hussain Gynai – avec Pablo Laguna et Gabriella Small (Université du Texas à Austin), Yasemin Ozkan-Aydin (Université de Notre Dame), Jennifer Rieser (Université Emory), Charles Xiao (Université de Californie, Santa Barbara) .

    L’importance de cette recherche s’étend de la biologie à la relativité générale. « La cartographie des systèmes relativistes généraux est une percée dans le rapprochement entre le domaine de la dynamique relativiste générale et celui de la matière active », a expliqué Li, de Georgia Tech. « Cela ouvre une nouvelle fenêtre pour mieux comprendre les propriétés dynamiques dans les deux domaines. »

    « Notre travail est le premier à introduire le point de vue selon lequel un système de matière active peut être refondu en une géométrie dynamique de l’espace-temps – et ainsi acquérir une compréhension du système en empruntant les outils de la théorie de la relativité générale d’Einstein », a ajouté Laguna.

    La mise en scène

    Les chercheurs ont construit des robots qui roulaient à une vitesse constante sur un terrain plat et de niveau. Lorsqu’ils rencontraient une surface avec des creux et des courbes, ces robots maintenaient cette vitesse constante en se réorientant et en tournant. La quantité de virage du robot était le résultat de la pente ou de la courbe.

    Lorsque ces robots ont été placés sur une surface circulaire semblable à un trampoline, les chercheurs ont pu surveiller la façon dont les robots tournaient en réponse à la surface changeante, car les robots créaient de nouveaux creux dans la surface lorsqu’ils se déplaçaient, la déprimant avec leur poids. Un système aérien a suivi la progression des robots sur le trampoline, enregistrant leurs parcours.

    Les chercheurs ont commencé par tester comment un seul robot pouvait se déplacer sur le trampoline et ont découvert qu’ils pouvaient construire un modèle mathématique pour prédire comment le véhicule se déplacerait. En utilisant des outils de la relativité générale pour cartographier les orbites au mouvement dans un espace-temps courbe, ils ont montré que l’on pouvait modifier qualitativement la précession en allégeant le véhicule. Ce modèle explique la propriété orbitale : comment le mouvement des « boucles » montrées ici dans l’équipe vidéo (la précession de l’aphélie) dépendent de l’état initial et de la dépression centrale du trampoline.

    « Nous étions excités et amusés que les chemins empruntés par le robot – les ellipses en précession – ressemblent beaucoup à ceux tracés par des corps célestes comme Mars et expliqués par la théorie de la relativité générale d’Einstein », a déclaré Goldman, de Georgia Tech Physics.

    Interactions multi-robots

    Lorsque plus de robots ont été ajoutés au trampoline, les chercheurs ont découvert que les déformations causées par le poids de chaque robot modifiaient leurs trajectoires sur le trampoline. Voyez ce qui se passe à ce stade de la vidéo.

    Les chercheurs ont émis l’hypothèse que l’augmentation de la vitesse des robots en modifiant l’inclinaison du corps du robot pourrait aider à atténuer les collisions qu’ils ont observées. Après plusieurs essais avec deux véhicules, ils ont pu confirmer leur théorie.

    La solution des chercheurs a également été maintenue lorsque davantage de robots ont été ajoutés à la surface.

    Ensuite, les chercheurs ont fait varier la vitesse des robots instantanément, ajustant l’inclinaison à l’aide d’un microcontrôleur et des lectures instantanées d’une unité de mesure interne.

    Enfin, les chercheurs ont utilisé leurs observations pour créer un modèle pour le cas multi-robot. « Pour comprendre comment la membrane élastique se déformait lorsque plusieurs véhicules étaient présents, nous avons imaginé la membrane comme autant de ressorts connectés infinitésimaux formant la surface ; les ressorts peuvent se déformer lorsque des véhicules se déplacent dessus », a expliqué Li, de l’Université de Princeton.

    Dans la simulation créée à l’aide du modèle de ressort des chercheurs, les deux véhicules se déplacent et fusionnent, s’attirant indirectement par la déformation de la membrane élastique en dessous, entraînant parfois une collision, tout comme lorsque l’équipe a placé plusieurs robots sur un trampoline.

    Le modèle global fonctionne pour guider les conceptions de schémas d’ingénierie – comme la vitesse et l’inclinaison des robots des chercheurs – pour contrôler le comportement collectif de la matière active sur des surfaces déformables (par exemple, si les robots entrent en collision sur le trampoline ou non).

    De la robotique à la relativité générale : applications interdisciplinaires

    Pour les chercheurs utilisant le biomimétisme pour construire des robots, le travail de l’équipe pourrait aider à éclairer les conceptions robotiques qui évitent ou utilisent l’agrégation. Par exemple, le SurferBot, un simple vibrobot, peut effleurer la surface de l’eau et a été inspiré à l’origine par les abeilles qui se frayaient un chemin hors de l’eau. D’autres systèmes qui pourraient potentiellement inspirer des robots biomimétiques incluent des canetons nageant après leur mère. En intégrant ces travaux sur l’agrégation dans leur conception, la recherche pourrait également aider ces robots à travailler ensemble pour accomplir collectivement des tâches.

    Les chercheurs ajoutent que les travaux pourraient également faire progresser la compréhension de la relativité générale.

    « Notre visualisation conventionnelle de la relativité générale est celle de billes roulant sur une feuille élastique », a expliqué Li, l’auteur principal de l’article. « Ce visuel démontre l’idée que la matière indique à l’espace-temps comment se courber et que l’espace-temps indique à la matière comment se déplacer. Étant donné que notre modèle peut créer des orbites en régime permanent, il peut également surmonter les problèmes courants des études précédentes : avec ce nouveau modèle, les chercheurs ont le capacité à cartographier les systèmes exacts de la relativité générale, y compris des phénomènes comme un trou noir statique. »

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