Ο αυτοκινούμενος τροχός αψηφά τη φυσική:Νέα έρευνα για τη ρομποτική κίνηση

Οι φυσικοί έχουν λύσει ένα βασικό πρόβλημα της ρομποτικής μετακίνησης αναθεωρώντας τους συνήθεις κανόνες αλληλεπίδρασης μεταξύ απλών εξαρτημάτων.

Κατά την ποδηλασία μέσα από μια ακολουθία σχημάτων, ένας περίεργος τροχός προωθείται σε απότομο και ανώμαλο έδαφος.

Samuel Velasco/Quanta Magazine

Εισαγωγή

Σε ένα εργαστήριο φυσικής στο Άμστερνταμ, υπάρχει ένας τροχός που μπορεί να κυλήσει αυθόρμητα στην ανηφόρα κουνώντας.

Αυτός ο «περίεργος τροχός» φαίνεται απλός:μόλις έξι μικροί κινητήρες συνδέονται μεταξύ τους με πλαστικούς βραχίονες και λαστιχένιες ταινίες για να σχηματίσουν έναν δακτύλιο διαμέτρου περίπου 6 ιντσών. Όταν οι κινητήρες είναι ενεργοποιημένοι, αρχίζει να στριφογυρίζει, να εκτελεί περίπλοκες κινήσεις σύνθλιψης και τεντώματος και περιστασιακά πετάγεται στον αέρα, ενώ σιγά-σιγά ανεβαίνει σε μια ανώμαλη ράμπα αφρού.

«Το βρίσκω πολύ παιχνιδιάρικο», είπε ο Ricard Alert, βιοφυσικός στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Φυσική των Σύνθετων Συστημάτων στη Δρέσδη της Γερμανίας, ο οποίος δεν συμμετείχε στην κατασκευή του τροχού. "Μου άρεσε πολύ."

Ο ανορθόδοξος τρόπος ταξιδιού του περίεργου τροχού αποτελεί παράδειγμα μιας πρόσφατης τάσης:Οι φυσικοί βρίσκουν τρόπους για να αναδυθεί αυθόρμητα χρήσιμη συλλογική συμπεριφορά σε ρομπότ που συναρμολογούνται από απλά μέρη που υπακούουν σε απλούς κανόνες. «Το αποκαλώ ρομποφυσική», είπε ο Daniel Goldman, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια.

Το πρόβλημα της μετακίνησης - μια από τις πιο στοιχειώδεις συμπεριφορές των έμβιων όντων - απασχολεί από καιρό βιολόγους και μηχανικούς. Όταν τα ζώα συναντούν εμπόδια και ανώμαλο έδαφος, ενστικτωδώς αντιμετωπίζουμε αυτές τις προκλήσεις, αλλά το πώς το κάνουμε αυτό δεν είναι τόσο απλό. Οι μηχανικοί έχουν δυσκολευτεί να κατασκευάσουν ρομπότ που δεν θα καταρρέουν ή δεν θα αιωρούνται προς τα εμπρός κατά την πλοήγηση σε περιβάλλοντα πραγματικού κόσμου και δεν μπορούν ενδεχομένως να προγραμματίσουν ένα ρομπότ για να προβλέψει όλες τις προκλήσεις που μπορεί να συναντήσει.

Ο περίεργος τροχός, που αναπτύχθηκε από τους φυσικούς Corentin Coulais του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ και Vincenzo Vitelli του Πανεπιστημίου του Σικάγο και συνεργάτες και περιγράφηκε σε μια πρόσφατη προτύπωση, ενσωματώνει μια πολύ διαφορετική προσέγγιση στην κίνηση. Η ανηφορική κίνηση του τροχού προκύπτει από την απλή ταλαντευτική κίνηση σε κάθε ένα από τα συστατικά μέρη του. Αν και αυτά τα μέρη δεν γνωρίζουν τίποτα για το περιβάλλον, ο τροχός στο σύνολό του προσαρμόζει αυτόματα την κίνησή του για να αντισταθμίσει το ανώμαλο έδαφος.

Οι φυσικοί δημιούργησαν επίσης μια «περίεργη μπάλα» που αναπηδά πάντα στη μία πλευρά και έναν «περίεργο τοίχο» που ελέγχει πού απορροφά την ενέργεια από μια πρόσκρουση.  Όλα τα αντικείμενα προέρχονται από την ίδια εξίσωση που περιγράφει μια ασύμμετρη σχέση μεταξύ των κινήσεων διάτασης και σύνθλιψης που εντόπισαν οι ερευνητές πριν από δύο χρόνια.

«Αυτές είναι πράγματι συμπεριφορές που δεν θα περίμενες», είπε ο Auke Ijspeert, βιορομποτικός στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Λωζάνης. Οι Coulais και Vitelli αρνήθηκαν να σχολιάσουν όσο η τελευταία τους εργασία βρίσκεται υπό αξιολόγηση από ομοτίμους.

Εκτός από την καθοδήγηση του σχεδιασμού πιο στιβαρών ρομπότ, η νέα έρευνα μπορεί να δώσει πληροφορίες για τη φυσική των ζωντανών συστημάτων και να εμπνεύσει την ανάπτυξη νέων υλικών.

Περίον θέμα

Ο περίεργος τροχός αναπτύχθηκε από την προηγούμενη εργασία των Coulais και Vitelli στη φυσική της «ενεργής ύλης» - ένας όρος ομπρέλα για συστήματα των οποίων τα συστατικά μέρη καταναλώνουν ενέργεια από το περιβάλλον, όπως σμήνη βακτηρίων, σμήνη πουλιών και ορισμένα τεχνητά υλικά. Η παροχή ενέργειας προκαλεί πλούσια συμπεριφορά, αλλά οδηγεί επίσης σε αστάθειες που καθιστούν δύσκολο τον έλεγχο της ενεργής ύλης.

Οι φυσικοί έχουν επικεντρωθεί ιστορικά σε συστήματα που εξοικονομούν ενέργεια, τα οποία πρέπει να υπακούουν στις αρχές της αμοιβαιότητας:Εάν υπάρχει τρόπος για ένα τέτοιο σύστημα να αποκτήσει ενέργεια μετακινώντας από το Α στο Β, οποιαδήποτε διαδικασία που θα επαναφέρει το σύστημα από το Β στο Α πρέπει να κοστίζει ίση ποσότητα ενέργειας. Αλλά με μια συνεχή εισροή ενέργειας από μέσα, αυτός ο περιορισμός δεν ισχύει πλέον.

Σε μια εργασία του 2020 στο Nature Physics , ο Vitelli και αρκετοί συνεργάτες άρχισαν να ερευνούν ενεργά στερεά με μη αμοιβαία μηχανικές ιδιότητες. Ανέπτυξαν ένα θεωρητικό πλαίσιο στο οποίο η μη αμοιβαιότητα εκδηλώνεται στις σχέσεις μεταξύ διαφορετικών ειδών κινήσεων διάτασης και σύνθλιψης. "Αυτό για μένα ήταν απλώς ένα όμορφο μαθηματικό πλαίσιο", δήλωσε ο Nikta Fakhri, βιοφυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης.

Ας υποθέσουμε ότι στριμώχνετε τη μία πλευρά ενός στερεού, προκαλώντας το να διογκωθεί προς τα έξω σε κάθετη κατεύθυνση. Μπορείτε επίσης να το τεντώσετε και να το στριμώξετε κατά μήκος ενός άξονα που περιστρέφεται κατά 45 μοίρες, παραμορφώνοντάς το σε σχήμα διαμαντιού. Σε ένα συνηθισμένο, παθητικό στερεό, αυτοί οι δύο τρόποι είναι ανεξάρτητοι. Η παραμόρφωση του στερεού προς μία κατεύθυνση δεν το παραμορφώνει σε καμία από τις δύο διαγώνιες.

Σε ένα ενεργό στερεό, οι ερευνητές έδειξαν ότι οι δύο τρόποι λειτουργίας μπορούν να έχουν μια μη αμοιβαία σύζευξη:Η συμπίεση του στερεού προς μία κατεύθυνση θα το συνθλίψει επίσης κατά μήκος του άξονα που περιστρέφεται κατά 45 μοίρες, αλλά η σύνθλιψη κατά μήκος αυτής της διαγώνιας θα το τεντώσει, όχι θα το συνθλίψει κατά μήκος του αρχικού άξονα. Μαθηματικά, ο αριθμός που περιγράφει τη σύζευξη μεταξύ αυτών των δύο τρόπων είναι θετικός προς τη μία κατεύθυνση και αρνητικός από την άλλη. Εξαιτίας της διαφοράς του πρόσημου, οι φυσικοί αποκαλούν το φαινόμενο "περίεργη ελαστικότητα".

Σε ένα περίεργο ελαστικό στερεό, η αναίρεση μιας παραμόρφωσης δεν είναι τόσο απλή όσο η αντιστροφή των κινήσεων τάνυσης και σύνθλιψης που την προκάλεσαν. Αντίθετα, ο κύκλος των παραμορφώσεων που επιστρέφει το στερεό στην αρχική του διαμόρφωση μπορεί να του αφήσει κάποια περίσσεια ενέργειας. Αυτό έχει εντυπωσιακές συνέπειες, όπως η δυνατότητα ανηφορικής κίνησης του περιττού τροχού.

Corentin Coulais του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ.

David Dykstra

Εν τω μεταξύ, ο Coulais, ένας πειραματιστής, μελετούσε τη μη αμοιβαιότητα στη ρομποτική ενεργή ύλη που αποτελείται από μια αλυσίδα απλών μονάδων, καθεμία εξοπλισμένη με κινητήρα, αισθητήρα και μικροελεγκτή. Με αυτές τις δυνατότητες ανίχνευσης και ελέγχου, ο Coulais θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει βρόχους ανάδρασης για να προγραμματίσει κάθε μονάδα ώστε να ανταποκρίνεται μη αμοιβαία στις κινήσεις των γειτόνων της.

Οι δύο φυσικοί, πρώην συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο του Λέιντεν στην Ολλανδία, στη συνέχεια συνεργάστηκαν για να αναπτύξουν ρομποτική ενεργή ύλη που θα ενσωματώνει τα μαθηματικά της περιττής ελαστικότητας.

Ασυνήθιστες ταλαντώσεις

Η συνηθισμένη ελαστικότητα - η ελαστικότητα της ύλης - είναι μια ογκώδης ιδιότητα που προκύπτει από αλληλεπιδράσεις τύπου ελατηρίου μεταξύ των μικροσκοπικών συστατικών της ύλης. Οι Coulais και Vitelli προσπάθησαν να δώσουν μια περίεργη ανατροπή στις ελαστικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ρομποτικών μονάδων.

Στη νέα τους σχεδίαση, κάθε μονάδα αποτελούνταν από έναν κινητήρα που ελέγχει την περιστροφή δύο πλαστικών βραχιόνων, με λάστιχα που παρέχουν ελαστικότητα τραβώντας προς τα πίσω τους βραχίονες. Οι ερευνητές ξεκίνησαν με ένα ζευγάρι μονάδων που μοιράζονταν ένα χέρι. Οι αισθητήρες και οι ελεγκτές στις μονάδες εφάρμοσαν έναν μη αμοιβαίο βρόχο ανάδρασης:Μια δεξιόστροφη στροφή του κινητήρα του πρώτου θα δημιουργούσε μια δεξιόστροφη ροπή στον δεύτερο κινητήρα, αλλά μια δεξιόστροφη περιστροφή του δεύτερου κινητήρα θα προκαλούσε μια αριστερόστροφη ροπή στον πρώτο.

Αυτή η διάταξη είναι εγγενώς ασταθής. Αν αφεθούν ανενόχλητες, οι μονάδες θα μείνουν ακίνητες για πάντα, αλλά ακόμη και η παραμικρή ώθηση θα προκαλέσει μια ατελείωτη διελκυστίνδα:Από όποια πλευρά κι αν στρίβει ένας κινητήρας, η αλληλεπίδρασή του με τον άλλο κινητήρα τον ωθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εάν η σύζευξη μεταξύ των μονάδων είναι αρκετά δυνατή, οι βραχίονες θα αρχίσουν να ταλαντώνονται εμπρός και πίσω με αυξανόμενο πλάτος.

Σε ένα δισδιάστατο οικόπεδο με άξονες που αντιπροσωπεύουν τις δύο γωνίες του κινητήρα, αυτές οι αυξανόμενες ταλαντώσεις θα εμφανίζονται ως μια εξωτερική σπείρα, κερδίζοντας ενέργεια σε κάθε κύκλο σαν ένας δρομέας που κατεβαίνει ένα M.C. Σκάλα Escher και αύξηση ταχύτητας με κάθε γύρο. Αλλά οι κινητήρες μπορούν να βγάλουν μόνο τόση ροπή και η ενέργεια χάνεται λόγω της τριβής, οπότε το πλάτος των ταλαντώσεων τελικά τελειώνει. Στη δισδιάστατη γραφική παράσταση των γωνιών του κινητήρα, η σπειροειδής τροχιά συγκλίνει σε έναν κύκλο και στη συνέχεια συνεχίζει να ακολουθεί ακριβώς την πορεία της. Οι φυσικοί αποκαλούν αυτή την αυτοσυντηρούμενη, σταθερού πλάτους ταλάντωση οριακό κύκλο.

Οι ταλαντώσεις οριακού κύκλου των μονάδων αντιπροσωπεύουν μια νίκη σταθερής, τακτικής κίνησης πάνω στο χάος που τόσο συχνά μαστίζει πολύπλοκα συστήματα. Σκεφτείτε το χαοτικό «διπλό εκκρεμές», το οποίο αποτελείται από ένα εκκρεμές που κρέμεται από το άλλο:Μικρές αλλαγές στις αρχικές του συνθήκες οδηγούν σύντομα σε εντελώς διαφορετικές τροχιές στο διάστημα. Οι οριακόι κύκλοι είναι το αντίθετο φαινόμενο:Διαφορετικές αρχικές συνθήκες δίνουν τελικά την ίδια τροχιά. Στην περίπτωση των περιττών μονάδων του Coulais και του Vitelli, ανεξάρτητα από το ποιος βραχίονας ωθήθηκε αρχικά και προς ποια κατεύθυνση, το σύστημα παρουσιάζει τελικά τις ίδιες ταλαντώσεις σταθερής κατάστασης.

Αυτό το βασικό χαρακτηριστικό κάνει τις ταλαντώσεις οριακού κύκλου πιο ιδιαίτερες από, ας πούμε, τη γνωστή κυκλική κίνηση ενός (ενός) εκκρεμούς. Σε μια δισδιάστατη γραφική παράσταση της θέσης και της ταχύτητας ενός εκκρεμούς, οι ταλαντώσεις του εμφανίζονται ως τροχιές γύρω από έναν κλειστό βρόχο, αλλά αν ξεκινήσετε το εκκρεμές να ταλαντεύεται με διαφορετικές ταχύτητες, θα διαγράψει έναν μεγαλύτερο ή μικρότερο κύκλο. Οι ταλαντώσεις οριακού κύκλου είναι πολύ πιο ισχυρές:Πολλές τροχιές που ξεκινούν διαφορετικές συγκλίνουν στην ίδια ακριβώς τροχιά και εάν το σύστημα απομακρυνθεί από αυτήν την τροχιά, θα τραβηχτεί πίσω.

Αυτές οι ταλαντώσεις οριακού κύκλου πρόσφεραν στους ερευνητές έναν τρόπο να δαμάσουν την απείθαρχη δυναμική της ενεργού ύλης και να την βάλουν σε λειτουργία.

Πίσω από τον τροχό

Τώρα που ο Coulais και ο Vitelli είχαν κατασκευάσει τα δομικά στοιχεία της περιττής ύλης, ήρθε η ώρα να τα συναρμολογήσουν. Πολλές μονάδες που συνδέονται με τον σωστό τρόπο θα έμοιαζαν με το περίεργο ελαστικό στερεό που είχε αρχικά οραματιστεί ο Vitelli. Τι θα συνέβαινε εάν αυτές οι μονάδες συνδέονταν μεταξύ τους με κοινούς βραχίονες για να σχηματίσουν έναν τροχό;

Όταν η ομάδα παρείχε ισχύ στους κινητήρες, ο βρόχος άρχισε να ταλαντώνεται, συνυφάζοντας το τέντωμα και το στρίμωγμα με παρόμοιες κινήσεις υπό γωνία 45 μοιρών. Εναλλάσσονταν εμπρός και πίσω μεταξύ των δύο τρόπων αυτοπαραμόρφωσης στη θεωρία περίεργης ελαστικότητας του Vitelli. Οι ταλαντώσεις οριακού κύκλου των παρακείμενων κινητήρων δημιούργησαν έναν οριακό κύκλο στη συλλογική κίνηση του τροχού στο σύνολό του. Η παραδοξότητα της σύζευξης των κινητήρων ξεχώρισε μια κατεύθυνση για την κίνηση του τροχού, όπως μια σκάλα Escher σπάει τη συμμετρία μεταξύ δεξιόστροφων και αριστερόστροφων γύρων - όλα είναι κατηφορικά προς τα κάτω και όλα ανηφορικά από την άλλη. Η ενέργεια που παράγεται κατά τη διάρκεια κάθε οριακού κύκλου επέτρεψε στον τροχό να σπρώξει στο έδαφος και να κυλήσει προς τα πάνω.

Οι περίεργες αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών ρομποτικών μονάδων μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ενός περιττού τοίχου.

Ευγενική προσφορά του Corentin Coulais

Είναι δύσκολο να καταλάβουμε γιατί η ανηφορική κίνηση του τροχού είναι τόσο στιβαρή, ακριβώς επειδή ο οριακός κύκλος του είναι ένα αναδυόμενο φαινόμενο, που δεν φαίνεται όταν εξετάζετε εξονυχιστικά κάποια μεμονωμένη μονάδα. Ο Nick Gravish, ένας ρομποτικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Σαν Ντιέγκο, υποπτεύεται ότι οι ταλαντώσεις οριακού κύκλου κάθε ζεύγους κινητήρων περιορίζουν σημαντικά τις πιθανές συλλογικές κινήσεις του τροχού. Σημείωσε ότι η εμφάνιση συλλογικής κίνησης από ταλαντώσεις χαμηλού επιπέδου έχει παραλληλισμούς στη βιολογία:«Τα ζώα είναι πολλά αλληλένδετα ταλαντωτικά συστατικά που πρέπει να συνεργάζονται».

Οι Coulais και Vitelli διερεύνησαν επίσης τις επιπτώσεις των περιττών συζεύξεων στις συγκρούσεις. Έδειξαν ότι μια περίεργη μπάλα - ένα βλήμα συναρμολογημένο από περίεργες μονάδες - θα αναπηδούσε πάντα προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση όταν εκτοξευόταν χωρίς περιστροφή, ενώ ένα περίεργο τοίχωμα μπορούσε να ελέγξει την κατεύθυνση στην οποία απορροφούσε ενέργεια από ένα βλήμα. Αυτές οι λειτουργίες θα μπορούσαν να αποδειχθούν χρήσιμες στο σχεδιασμό νέων ενεργών υλικών, είπε ο Denis Bartolo, φυσικός στην École Normale Supérieure στη Λυών της Γαλλίας, προσθέτοντας ότι «το επόμενο τεράστιο βήμα που θα γίνει θα ήταν να βρεθεί ένας τρόπος αυτοσυναρμολόγησης αυτών των μηχανών».

Ρομποφυσική

Πριν από τα πρόσφατα πειράματα, δεν ήταν προφανές ότι οι περίεργες αλληλεπιδράσεις θα οδηγούσαν σε κίνηση. Κάθε κινητήρας ανταποκρίνεται μόνο στους γείτονές του, και όμως ο τροχός κινείται προς τα εμπρός. Αυτή η απουσία ελέγχου από πάνω προς τα κάτω είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα για τους βιολόγους που επιδιώκουν να κατανοήσουν πώς συνεργάζονται τα σμήνη χωρίς καθορισμένους ηγέτες και πώς τα πρωτόγονα ζώα χωρίς νευρικό σύστημα αναζητούν τροφή.

Η αναδυόμενη κίνηση του περίεργου τροχού είναι ελκυστική για τους ερευνητές κυρίως επειδή τα δομικά στοιχεία του τροχού είναι τόσο απλά. «Μπορεί απλώς να χαθείτε στην πολυπλοκότητα των ζωντανών συστημάτων», είπε ο Alert. Επισήμανε ένα διάσημο απόφθεγμα του Ρίτσαρντ Φάινμαν:«Αυτό που δεν μπορώ να δημιουργήσω, δεν το καταλαβαίνω».

Οι Coulais και Vitelli ανέπτυξαν τις περίεργες ενότητες τους χωρίς να μιμούνται κάποιο συγκεκριμένο ζωντανό σύστημα, επομένως είναι ανοιχτό το ερώτημα εάν η βιολογία έχει χρησιμοποιήσει την ίδια αναδυόμενη δυναμική. Η M. Cristina Marchetti, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, χαρακτήρισε το αποτέλεσμα "πολύ ενδιαφέρον" και είπε ότι το επόμενο βήμα για την κατανόηση του πιθανού ρόλου του στη βιολογία είναι να δούμε πόσο καλά επιμένει η συμπεριφορά σε ένα θορυβώδες περιβάλλον όπως αυτό ενός ζωντανού κυττάρου.

Όμως, ενώ η εξέλιξη βρίσκει συχνά καλές λύσεις στα προβλήματα, μπορεί να χάσει ευκαιρίες. Ο περίεργος τροχός μπορεί να είναι μια πραγματική καινοτομία. Ο Bartolo σημειώνει ότι, στον σχεδιασμό ρομπότ, μηχανών και υλικών, η βιοέμπνευση έχει τα όριά της:«Αν προσπαθούσατε να φτιάξετε ένα αεροπλάνο χρησιμοποιώντας φτερά, θα περπατούσατε ή θα κολυμπούσατε από τη Νορμανδία στη Νέα Υόρκη».

Επόμενο άρθρο

Ο εγκέφαλος έχει μια «λειτουργία χαμηλής ισχύος» που αμβλύνει τις αισθήσεις μας