Tarian Robot Spontan Menyoroti Jenius Orde Baru dalam Materi Aktif

Kumpulan titik seperti bunga mewakili semua kemungkinan bentuk yang dapat diambil oleh gerombolan smarticle. Sejalan dengan teori gemerincing, bentuk yang paling umum juga paling teratur dengan gemerincing paling rendah (ditunjukkan dengan warna biru). Kredit: Thomas A. Berrueta

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

Pada abad ke-19, para ilmuwan dan insinyur mengembangkan disiplin mekanika statistik, yang memprediksi bagaimana kelompok partikel sederhana melewati keteraturan dan ketidakteraturan, seperti ketika kumpulan atom dalam tabrakan acak membeku untuk membentuk kisi kristal seragam.

Yang lebih sulit untuk diprediksi adalah perilaku kolektif yang dapat dicapai ketika partikel menjadi lebih kompleks, sehingga dapat bergerak dengan kekuatannya sendiri. Jenis sistem ini – diamati pada kelompok burung, koloni bakteri, dan kawanan robot – disebut “materi aktif”.

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

Kami tahu tentang Smarticles

Ketika segerombolan smarticles dibuat untuk berinteraksi dalam ruang terbatas, mereka membentuk bola simetris tajam yang koreografinya muncul secara spontan dari fisika bunyi rendah. Kredit: Thomas A. Berrueta

Teori yang dikembangkan oleh Postdoctoral Researcher Pavel Chvykov di Massachusetts Institute of Technology sementara seorang mahasiswa Profesor Jeremy Inggris, yang saat ini menjadi peneliti di Georgia Institute of Technology School of Physics, berpendapat bahwa beberapa jenis materi aktif dengan dinamika yang agak berantakan akan secara spontan menemukan apa yang oleh para peneliti disebut status “berderak rendah”.

“Tinnitus adalah saat materi mengambil energi yang mengalir ke dalamnya dan mengubahnya menjadi gerakan acak,” kata England. “Denting bisa lebih keras ketika gerakan lebih keras, atau lebih santai. Sebaliknya, suara rendah bisa jadi sangat ringan atau sangat teratur – atau keduanya. Jadi idenya adalah jika masalah Anda adalah milik Anda sendiri sumber energi memungkinkan kemungkinan keadaan kebisingan rendah, sistem akan secara acak mengatur ulang dirinya sendiri sampai menemukan keadaan itu dan kemudian berhenti di situ.Jika Anda memasok energi melalui gaya dengan model tertentu, itu berarti bahwa keadaan yang dipilih akan menemukan cara untuk bahwa materi bergerak yang sesuai dengan model ini. “

Untuk mengembangkan teori mereka, Inggris dan Chvykov terinspirasi oleh fenomena – yang dijuluki termoforesis – 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 daerah yang lebih dingin – yang sesuai dengan peningkatan urutan larutan.

Chvykov dan Inggris telah mengembangkan banyak model matematika untuk mendemonstrasikan prinsip suara keras bernada rendah, tetapi baru setelah mereka terhubung dengan Daniel Goldman, Profesor Fisika di Keluarga Dunn di Institut Teknologi Georgia, yang yang mampu membuktikan prediksi mereka.

Kami menyebutnya Smarticle Symmetrical

Ketika segerombolan smarticles dibuat untuk berinteraksi dalam ruang terbatas, mereka membentuk bola simetris tajam yang koreografinya muncul secara spontan dari fisika bunyi rendah. Kredit: Thomas A. Berrueta

Goldman berkata: “Beberapa tahun yang lalu, saya melihat Inggris memberikan seminar dan saya pikir beberapa robot cerdas kita mungkin terbukti berharga dalam membuktikan 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 memvisualisasikan dinamika yang rumit dan menjelajahi wadah sepenuhnya, robot akan secara spontan menyusun diri menjadi beberapa bola – misalnya, sebuah tarian akan terdiri dari tiga robot yang saling membanting secara berurutan. Bola-bola ini mungkin bertahan selama ratusan kepakan, tetapi tiba-tiba kehilangan stabilitas dan digantikan oleh bola dengan pola yang berbeda.

Setelah pertama kali membuktikan bahwa tarian sederhana ini sebenarnya hanya rumor rendah, Chvykov bekerja dengan para insinyur Universitas Northwestern, Prof. Todd Murphey dan Ph.D. siswa Thomas Berrueta, yang mengembangkan smarticles yang lebih halus dan lebih terkontrol. Smarticle yang ditingkatkan memungkinkan para peneliti untuk menguji batasan teori, termasuk bagaimana jenis dan jumlah tarian bervariasi untuk pola mengepakkan lengan yang berbeda, serta bagaimana tarian ini dapat dikontrol. “Dengan mengontrol urutan keadaan pada getaran rendah, kita dapat membuat sistem datang ke konfigurasi yang melakukan pekerjaan yang berguna,” kata Berrueta. Para peneliti di Northwestern University mengatakan temuan ini mungkin memiliki implikasi praktis yang luas untuk skala mikroba, materi aktif, dan metamaterial.

Seperti yang dikemukakan Inggris: “Untuk kawanan robot, ini tentang mendapatkan banyak perilaku kelompok yang adaptif dan cerdas yang dapat Anda bayangkan terwujud dalam satu kawanan, meskipun robot individual relatif murah dan sederhana secara komputasi. Untuk sel hidup dan materi baru, kami dapat mencoba memahami apa yang dapat Anda peroleh dari “sekumpulan” atom atau protein, hingga materi baru atau sifat komputasi. “

Referensi: “Low Rattling: A Predictive Principle for Self-Organization in Active Collectives” oleh Pavel Chvykov, Thomas A. Berrueta, Akash Vardhan, William Savoie, Alexander Samland, Todd D. Murphey, Kurt Wiesenfeld, Daniel I. Goldman, dan Jeremy Inggris, 1 Januari 2021, Ilmu.
DOI: 10.1126 / science.abc6182

Tim studi berbasis Georgia Tech termasuk Jeremy L. Inggris, seorang ilmuwan Fisika Sistem Hidup yang melakukan penelitian dengan Sekolah Fisika; Profesor Keluarga Dunn Daniel Goldman; profesor Kurt Wiesenfeld, dan mahasiswa pascasarjana Akash Vardhan (Biosains Kuantitatif) dan William Savoie (Sekolah Fisika). Mereka bergabung dengan Pavel Chvykov (Institut Teknologi Massachusetts), dengan Profesor Todd D. Murphey dan mahasiswa pascasarjana Thomas A. Berrueta dan Alexander Samland dari Universitas Northwestern.

Materi ini didasarkan pada karya yang didukung oleh Kantor Riset Angkatan Darat di bawah penghargaan oleh ARO W911NF-18-1-0101, Penghargaan ARO WALL W911NF-19-1-0233, ARO W911NF-13-1- 0347, dari National Science Foundation di bawah hibah PoLS-0957659, PHY-1205878, PHY-1205878, PHY-1205878 dan DMR-1551095, NSF CBET-1637764, dari James S. McDonnell Scholar Grant Foundation 220020476, dan Georgia Institute Teknologi Dunn Family Professorship. Setiap pendapat, penemuan, kesimpulan atau rekomendasi yang diungkapkan dalam materi ini adalah milik penulis dan tidak mencerminkan pandangan dari lembaga sponsor.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Topan Super Surigae menyulut Pasifik

19 April 2021 Topan super mencapai intensitas ekstrem setahun lebih banyak daripada badai era satelit mana pun. Surigae tidak akan mendarat, tetapi topan yang muncul di...

Mekanisme fotoenzim kunci yang diuraikan

Kesan artis tentang katalisis enzimatik yang diusulkan dalam mekanisme fotodekarboksilase asam lemak (Sains 2021). Kredit: Damien Sorigué Pengoperasian enzim FAP, yang berguna untuk memproduksi...

DOE Mendorong Investasi A.S. yang Agresif dalam Energy Fusion

Sinar laser energi tinggi NIF berkumpul di target di tengah kamera target. Keberhasilan mendapatkan penyalaan fusi akan menjadi langkah maju yang besar dalam...

Fisikawan menciptakan bit kuantum yang dapat mencari materi gelap

Sebuah qubit (persegi panjang kecil) dipasang pada tingkat kebiruan, yang berada di atas jari untuk menunjukkan skala. Ilmuwan di Farmland Universitas Chicago menggunakan...

Ahli paleontologi memperkirakan bahwa 2,5 miliar T. rex menjelajahi Bumi selama periode Kapur

Untuk semua mereka yang terlambatKapur Menurut sebuah studi baru, jumlah total tyrannosaurus yang pernah hidup di Bumi adalah sekitar 2,5 miliar individu, di mana...

Newsletter

Subscribe to stay updated.