Danze robotiche spontanee

Un team di fisici e ingegneri ha proposto un nuovo principio in base al quale i sistemi di materia attiva possono ordinare spontaneamente.

Nel 19° secolo, scienziati e ingegneri hanno sviluppato la disciplina della meccanica statistica, che predice come gruppi di particelle semplici passano tra ordine e disordine, come quando una raccolta di atomi in collisione casuale si congela per formare un reticolo cristallino uniforme.

Più difficili da prevedere sono i comportamenti collettivi che possono essere raggiunti quando le particelle diventano più complicate, in modo tale da poter muoversi con il proprio potere. Questo tipo di sistema - osservato in stormi di uccelli, colonie batteriche e sciami di robot - va sotto il nome di “materia attiva”.

Come riportato in un articolo pubblicato dalla rivista Science, (1) un team di fisici e ingegneri ha proposto un nuovo principio in base al quale i sistemi di materia attiva possono ordinare spontaneamente, senza bisogno di istruzioni di livello superiore o addirittura di interazioni programmate tra gli agenti. E hanno dimostrato questo principio in una varietà di sistemi, inclusi gruppi di robot che cambiano forma periodicamente chiamati “smarticles” - particelle intelligenti e attive.

La teoria, sviluppata dal dottor Pavel Chvykov (2) al Massachusetts Institute of Technology mentre uno studente del professor Jeremy England, (3) che ora è un ricercatore presso la School of Physics del Georgia Institute of Technology, (4) postula che alcuni tipi di materia attiva con sufficientemente le dinamiche troveranno spontaneamente ciò che i ricercatori chiamano stati “a basso rumore”.

Il dottor Jeremy England spiega: «Rattling è quando la materia prende l'energia che scorre in essa e la trasforma in movimento casuale. Il tintinnio può essere maggiore sia quando il movimento è più violento, sia più casuale. Al contrario, il leggero tintinnio è molto leggero o altamente organizzato - o entrambi. Quindi, l'idea è che se la tua materia e la tua fonte di energia consentono la possibilità di uno stato di basso rumore, il sistema si riorganizzerà in modo casuale finché non trova quello stato e poi si blocca. Se fornisci energia attraverso forze con uno schema particolare, questo significa che lo stato selezionato scoprirà un modo per il movimento della materia che corrisponde perfettamente a quel modello».

Per sviluppare la loro teoria, Jeremy England e Pavel Chvykov si ispirarono a un fenomeno - dubbed thermophoresis - scoperto dal fisico svizzero Charles Soret alla fine del XIX secolo. Negli esperimenti di Soret, ha scoperto che sottoporre una soluzione salina inizialmente uniforme in un tubo a una differenza di temperatura porterebbe spontaneamente ad un aumento della concentrazione di sale nella regione più fredda - che corrisponde ad un aumento nell'ordine della soluzione.

Gli scienziati Pavel Chvykov e Jeremy England hanno sviluppato numerosi modelli matematici per dimostrare il principio del basso rumore, ma è stato solo quando si sono messi in contatto con i dottor Daniel Goldman, (5) professore di fisica della famiglia Dunn presso il Georgia Institute of Technology, che sono stati in grado di testare le loro previsioni.

Il professor Daniel Goldman ha detto: «Alcuni anni fa, ho visto Jeremy England tenere un seminario e ho pensato che alcuni dei nostri smarticle robots potrebbero rivelarsi utili per testare questa teoria».

Lavorando con Pavel Chvykov, che ha visitato il laboratorio di Goldman, Ph.D. gli studenti William Savoie e Akash Vardhan hanno usato tre smarticle robots svolazzanti racchiusi in un anello per confrontare gli esperimenti con la teoria. Gli studenti osservarono che invece di mostrare dinamiche complicate ed esplorare completamente il contenitore, i robot si auto-organizzarono spontaneamente in alcune danze - ad esempio, una danza consisteva in tre robot che si toccavano reciprocamente le braccia in sequenza. Queste danze potrebbero persistere per centinaia di battiti, ma improvvisamente perdono stabilità e sono sostituite da una danza di uno schema diverso.

Dopo aver dimostrato per la prima volta che queste semplici danze erano davvero degli stati di basso rumore, Pavel Chvykov ha lavorato con gli ingegneri della Northwestern University, il Professor Todd Murphey (6) e Ph.D. lo studente Thomas Berrueta, (7) che ha sviluppato smarticle robots più raffinate e meglio controllate. Gli smarticle robots migliorati hanno permesso ai ricercatori di testare i limiti della teoria, incluso il modo in cui i tipi e il numero di danze variavano per i diversi modelli di sbattimento delle braccia, nonché come queste danze potevano essere controllate. «Controllando le sequenze di stati di bassa vibrazione, abbiamo fatto in modo che il sistema raggiungesse configurazioni che svolgono un lavoro utile», ha detto Thomas Berrueta. I ricercatori della Northwestern University affermano che questi risultati potrebbero avere ampie implicazioni pratiche per sciami microrobotici, materia attiva e metamateriali.

Come ha notato il dottor Jeremy England: «Per gli sciami di robot, si tratta di ottenere molti comportamenti di gruppi intelligenti e adattivi che è possibile progettare per essere realizzati in un unico sciame, anche se i singoli robot sono relativamente economici e computazionalmente semplici. Per cellule viventi e nuovi materiali, potrebbe riguardare la comprensione di ciò che lo “sciame” di atomi o proteine può portarti, per quanto riguarda il nuovo materiale o le proprietà computazionali».

Il team dello studio con sede in Georgia Tech comprende Jeremy L. England, uno scienziato di Physics of Living Systems che ricerca con la School of Physics, il professore della famiglia Dunn Daniel Goldman, il professor Kurt Wiesenfeld e gli studenti laureati Akash Vardhan (Quantitative Biosciences) e William Savoie (Scuola di Fisica). Si uniscono allo studente laureato Pavel Chvykov (Massachusetts Institute of Technology), insieme al professor Todd D. Murphey e agli studenti laureati Thomas A. Berrueta e Alexander Samland della Northwestern University.

Questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dall'Army Research Office con premi da ARO W911NF-18-1-0101, ARO MURI Award W911NF-19-1-0233, ARO W911NF-13-1-0347, dalla National Science Foundation sotto concessione PoLS-0957659, PHY-1205878, PHY-1205878, PHY-1205878 e DMR-1551095, NSF CBET-1637764, dalla James S. McDonnell Foundation Scholar Grant 220020476 e dal Georgia Institute of Technology Dunn Family Professorship. Tutte le opinioni, i risultati e le conclusioni o le raccomandazioni espresse in questo materiale sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni delle agenzie sponsorizzatrici.

Riferimenti:

(1) Low rattling: A predictive principle for self-organization in active collectives

(2) Pavel Chvykov

(3) Jeremy England

(4) School of Physics del Georgia Institute of Technology

(5) Daniel Goldman

(6) Todd Murphey

(7) Thomas Berrueta

Descrizione foto: Quando uno sciame di smarticle robots viene fatto interagire in uno spazio ristretto, formano danze incredibilmente simmetriche la cui coreografia emerge spontaneamente dalla fisica del basso tintinnio. - Credit: Thomas A. Berrueta.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Spontaneous Robot Dances Highlight a New Kind of Order in Active Matter