Tarian robot spontan menyoroti jenis tatanan baru dalam materi aktif
Spotlight

Tarian robot spontan menyoroti jenis tatanan baru dalam materi aktif


Ketika segerombolan smarticles dibuat untuk berinteraksi di ruang terbatas, mereka membentuk tarian simetris yang memukau yang koreografinya muncul secara spontan dari fisika getaran rendah. Kredit: Thomas A. Berrueta

Memprediksi kapan dan bagaimana kumpulan partikel, robot, atau hewan menjadi teratur tetap menjadi tantangan lintas sains dan teknik.

Pada abad ke-19, ilmuwan dan insinyur mengembangkan disiplin mekanika statistik, yang memprediksi bagaimana kelompok partikel sederhana bertransisi antara keteraturan dan ketidakteraturan, seperti ketika kumpulan atom yang bertabrakan secara acak membeku membentuk kisi kristal yang seragam.

Yang lebih menantang untuk diprediksi adalah perilaku kolektif yang dapat dicapai ketika partikel menjadi lebih rumit, sehingga dapat bergerak dengan kekuatannya sendiri. Jenis sistem ini — diamati pada kawanan burung, koloni bakteri, dan kawanan robot — dinamai “materi aktif”.

Seperti diberitakan dalam jurnal terbitan 1 Januari 2021 Ilmu, tim fisikawan dan insinyur telah mengusulkan prinsip baru yang dengannya sistem materi aktif dapat secara spontan memesan, tanpa memerlukan instruksi tingkat yang lebih tinggi atau bahkan interaksi terprogram di antara agen. Dan mereka telah mendemonstrasikan prinsip ini dalam berbagai sistem, termasuk kelompok robot yang secara berkala mengubah bentuk yang disebut “smarticles” —partikel aktif dan cerdas.

Teori yang dikembangkan oleh Dr. Pavel Chvykov di Massachusetts Institute of Technology saat menjadi mahasiswa Prof. Jeremy Inggris, yang kini menjadi peneliti di School of Physics di Georgia Institute of Technology, mengemukakan bahwa jenis materi aktif tertentu dengan cukup berantakan dinamika akan secara spontan menemukan apa yang disebut para peneliti sebagai keadaan “berderak rendah”.

Tarian robot spontan menyoroti jenis tatanan baru dalam materi aktif

Ketika segerombolan smarticles dibuat untuk berinteraksi di ruang terbatas, mereka membentuk tarian simetris yang memukau yang koreografinya muncul secara spontan dari fisika getaran rendah. Kredit: Thomas A. Berrueta

“Berderak adalah saat materi mengambil energi yang mengalir ke dalamnya dan mengubahnya menjadi gerakan acak,” kata England. “Berderak bisa lebih besar baik saat gerakannya lebih keras, atau lebih acak. Sebaliknya, gemerincing rendah bisa jadi sangat sedikit atau sangat teratur — atau keduanya. Jadi, idenya adalah jika materi dan sumber energi Anda memungkinkan untuk kemungkinan keadaan berderak rendah, sistem akan mengatur ulang secara acak sampai ia menemukan keadaan itu dan kemudian macet di sana. Jika Anda menyuplai energi melalui gaya dengan pola tertentu, ini berarti keadaan yang dipilih akan menemukan cara agar materi bergerak yang sesuai dengan pola itu . “

Untuk mengembangkan teori mereka, Inggris dan Chvykov mengambil inspirasi dari sebuah fenomena — dijuluki — yang ditemukan oleh fisikawan Swiss Charles Soret pada akhir abad ke-19. Dalam eksperimen Soret, dia menemukan bahwa menundukkan larutan garam yang awalnya seragam dalam tabung ke perbedaan suhu akan secara spontan menyebabkan peningkatan konsentrasi garam di wilayah yang lebih dingin — yang sesuai dengan peningkatan urutan larutan.

Chvykov dan Inggris mengembangkan banyak model matematika untuk mendemonstrasikan prinsip berderak rendah, tetapi baru setelah mereka terhubung dengan Daniel Goldman, Profesor Fisika Keluarga Dunn di Institut Teknologi Georgia, mereka dapat menguji prediksi mereka.

Kata Goldman, “Beberapa tahun yang lalu, saya melihat Inggris mengadakan seminar dan berpikir bahwa beberapa robot smarticle kami mungkin terbukti berharga untuk menguji teori ini.” Bekerja dengan Chvykov, yang mengunjungi lab Goldman, Ph.D. siswa William Savoie dan Akash Vardhan menggunakan tiga smarticles mengepak yang tertutup dalam sebuah cincin untuk membandingkan eksperimen dengan teori. Para siswa mengamati bahwa alih-alih menampilkan dinamika yang rumit dan menjelajahi wadah secara utuh, robot-robot itu secara spontan akan mengatur dirinya sendiri menjadi beberapa tarian — misalnya, satu tarian terdiri dari tiga robot yang saling menampar lengan secara berurutan. Tarian ini bisa bertahan selama ratusan kepakan, tetapi tiba-tiba kehilangan stabilitas dan digantikan oleh tarian dengan pola yang berbeda.

Setelah pertama kali mendemonstrasikan bahwa tarian sederhana ini memang benar-benar di tingkat yang rendah, Chvykov bekerja dengan para insinyur di Universitas Northwestern, Prof. Todd Murphey dan Ph.D. siswa Thomas Berrueta, yang mengembangkan smarticles yang lebih halus dan lebih terkontrol. Smarticles yang ditingkatkan memungkinkan para peneliti untuk menguji batas-batas teori, termasuk bagaimana jenis dan jumlah tarian bervariasi untuk pola mengepakkan lengan yang berbeda, serta bagaimana tarian ini dapat dikontrol. “Dengan mengontrol urutan status berderak rendah, kami dapat membuat konfigurasi jangkauan sistem yang melakukan pekerjaan berguna,” kata Berrueta. Para peneliti Northwestern University mengatakan bahwa temuan ini mungkin memiliki implikasi praktis yang luas untuk kawanan mikrorobotik, materi aktif, dan metamaterial.

Seperti yang dikemukakan Inggris: “Untuk kawanan robot, ini tentang mendapatkan banyak perilaku kelompok yang adaptif dan cerdas yang dapat Anda rancang untuk diwujudkan dalam satu kawanan, meskipun masing-masing robot relatif murah dan sederhana secara komputasi. Untuk sel hidup dan materi baru, itu mungkin tentang memahami apa yang dapat diberikan oleh ‘sekumpulan’ atom atau protein untuk Anda, sejauh materi baru atau sifat komputasi. ”


Robot pengubah bentuk yang dibangun dari ‘smarticles’ menunjukkan strategi penggerak baru


Informasi lebih lanjut:
Berderak rendah: Prinsip prediktif untuk organisasi mandiri dalam kolektif aktif, Ilmu (2020). DOI: 10.1126 / science.abc6182

Disediakan oleh Institut Teknologi Georgia

Kutipan: Tarian robot spontan menyoroti jenis tatanan baru dalam materi aktif (2020, 31 Desember) diakses 31 Desember 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-12-spontaneous-robot-highlight-kind.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Pengeluaran SGP Hari Ini