Quando objetos autopropulsores interagem uns com os outros, fenômenos interessantes podem ocorrer. Os pássaros alinham-se uns com os outros quando voam juntos. As pessoas em um show criam vórtices espontaneamente quando se cutucam e esbarram umas nas outras. As formigas de fogo trabalham juntas para criar jangadas que flutuam na superfície da água.
Embora muitas dessas interações aconteçam por meio de contato direto, como o cutucão dos frequentadores de shows, algumas interações podem ser transmitidas através do material em que os objetos estão – essas são conhecidas como interações indiretas. Por exemplo, uma ponte com pedestres sobre ela pode transmitir vibrações, como no famoso exemplo da "ponte oscilante" da Millennium Bridge.

Embora os resultados de interações diretas (como o nudging) sejam de crescente interesse e estudo, e os resultados de interações indiretas por meio de mecanismos como a visão sejam bem estudados, os pesquisadores ainda estão aprendendo sobre interações mecânicas indiretas (por exemplo, como duas bolas rolantes podem influenciar movimento um do outro em um trampolim, recuando a superfície do trampolim com seu peso, exercendo forças mecânicas sem tocar).

Os físicos estão usando pequenos robôs com rodas para entender melhor essas interações mecânicas indiretas, como elas desempenham um papel na matéria ativa e como podemos controlá-las. Suas descobertas, "Natação robótica no espaço curvo via fase geométrica" ​​foram publicadas recentemente na revista The Proceedings of the National Academy of Sciences .

No artigo, liderado por Shengkai Li, ex-Ph.D. estudante da Escola de Física da Georgia Tech, agora bolsista do Center for the Physics of Biological Function (CPBF) da Universidade de Princeton, os pesquisadores ilustraram que a matéria ativa em superfícies deformáveis ​​pode interagir com outras por meio de força sem contato - então criaram um modelo para permitem o controle do comportamento coletivo de objetos em movimento em superfícies deformáveis ​​por meio de simples mudanças na engenharia dos robôs.

Os co-autores incluem os co-autores da Georgia Tech School of Physics Daniel Goldman, Dunn Family Professor; Gongjie Li, professor assistente; e o estudante de pós-graduação Hussain Gynai—junto com Pablo Laguna e Gabriella Small (Universidade do Texas em Austin), Yasemin Ozkan-Aydin (Universidade de Notre Dame), Jennifer Rieser (Universidade Emory), Charles Xiao (Universidade da Califórnia, Santa Bárbara).

O significado desta pesquisa vai da biologia à relatividade geral. “O mapeamento para sistemas relativísticos gerais é um avanço na ponte entre o campo da dinâmica relativística geral e o da matéria ativa”, explicou Li, da Georgia Tech. "Isso abre uma nova janela para entender melhor as propriedades dinâmicas em ambos os campos."

“Nosso trabalho é o primeiro a apresentar a visão de que um sistema de matéria ativa pode ser reformulado como uma geometria dinâmica de espaço-tempo – e, assim, obter uma compreensão do sistema emprestando as ferramentas da teoria da relatividade geral de Einstein”, acrescentou Laguna.

Preparando o cenário

Os pesquisadores construíram robôs que dirigiam a uma velocidade constante em terreno plano e nivelado. Ao encontrar uma superfície com depressões e curvas, esses robôs mantinham essa velocidade constante reorientando-se e girando. A quantidade que o robô girava era resultado de quão íngreme era a inclinação ou a curva.

Quando esses robôs foram colocados em uma superfície circular, semelhante a um trampolim, os pesquisadores conseguiram monitorar como os robôs giravam em resposta à mudança da superfície, porque os robôs criavam novos mergulhos na superfície à medida que se moviam, deprimindo-a com seu peso. Um sistema aéreo rastreava o progresso dos robôs no trampolim, registrando seus cursos.

Os pesquisadores começaram testando como apenas um robô poderia se mover no trampolim e descobriram que poderiam construir um modelo matemático para prever como o veículo se moveria. Usando ferramentas da relatividade geral para mapear as órbitas para o movimento em um espaço-tempo curvo, eles mostraram que é possível alterar qualitativamente a precessão tornando o veículo mais leve. Este modelo explica a propriedade orbital:como o movimento dos "loops" (a precessão do afélio) depende da condição inicial e da depressão central do trampolim.

"Ficamos empolgados e divertidos que os caminhos que o robô tomou - elipses de precedência - se pareciam muito com os traçados por corpos celestes como Marte e explicados pela teoria da Relatividade Geral de Einstein", disse Goldman, da Georgia Tech Physics.

Interações de vários robôs

Quando mais robôs foram adicionados ao trampolim, os pesquisadores descobriram que as deformações causadas pelo peso de cada robô mudaram seus caminhos pelo trampolim.

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que aumentar a velocidade dos robôs alterando a inclinação do corpo do robô pode ajudar a mitigar as colisões observadas. Após vários testes com dois veículos, eles conseguiram confirmar sua teoria.

A solução dos pesquisadores se manteve quando mais robôs foram adicionados à superfície também.

Em seguida, os pesquisadores variaram a velocidade dos robôs instantaneamente, ajustando a inclinação usando um microcontrolador e leituras instantâneas de uma unidade de medição interna.

Finalmente, os pesquisadores usaram suas observações para criar um modelo para o caso multi-robô. "Para entender como a membrana elástica se deformou quando vários veículos estavam presentes, imaginamos a membrana como muitas molas infinitesimais e conectadas formando a superfície; as molas podem se deformar quando os veículos se movem sobre elas", explicou Li, da Universidade de Princeton.

Na simulação criada usando o modelo de mola dos pesquisadores, os dois veículos se movem e se fundem, atraindo-se indiretamente através da deformação da membrana elástica abaixo, às vezes resultando em colisão, assim como quando a equipe colocou vários robôs em um trampolim.

O modelo geral funciona para orientar projetos de esquemas de engenharia – como velocidade e inclinação dos robôs dos pesquisadores – para controlar o comportamento coletivo da matéria ativa em superfícies deformáveis ​​(por exemplo, se os robôs colidem ou não no trampolim).

Da robótica à relatividade geral:aplicações interdisciplinares

Para pesquisadores que usam biomimética para construir robôs, o trabalho da equipe pode ajudar a informar projetos de robótica que evitam ou utilizam agregação. Por exemplo, o SurferBot, um simples vibrobot, pode deslizar na superfície da água e foi originalmente inspirado nas abelhas que saem da água. Outros sistemas que poderiam inspirar robôs que imitam a biomimética incluem patinhos nadando atrás de sua mãe. Ao incorporar esse trabalho de agregação em seu projeto, a pesquisa também pode ajudar esses robôs a trabalharem juntos para realizar tarefas coletivamente.

Os pesquisadores acrescentam que o trabalho também pode avançar na compreensão da relatividade geral.

"Nossa visualização convencional da relatividade geral é de bolinhas de gude rolando em uma folha elástica", explicou Li, principal autor do artigo. “Esse visual demonstra a ideia de que a matéria diz ao espaço-tempo como se curvar e o espaço-tempo diz à matéria como se mover. capacidade de mapear para sistemas exatos de relatividade geral, incluindo fenômenos como um buraco negro estático." + Explorar mais

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