Một Chiếc Bánh Xe Tạo Bằng 'Vật Chất Kỳ Lạ' Tự Spontaneously Cuộn Lên Đồi

Trong một phòng thí nghiệm vật lý tại Amsterdam, có một chiếc bánh xe có thể tự cuộn lên đồi một cách tự nhiên bằng cách lăn lung tung.

Chiếc “bánh xe kỳ quặc” này trông đơn giản: chỉ là sáu động cơ nhỏ kết nối với nhau bằng cánh tay nhựa và dây cao su để tạo thành một chiếc vòng có đường kính khoảng 6 inch. Khi các động cơ được bật, nó bắt đầu vặn vẻo, thực hiện những động tác ép và căng phức tạp và đôi khi tự ném mình vào không khí, trong khi chậm rãi di chuyển lên một đoạn đường nổi bọt.

“Tôi thấy nó rất nghịch ngợm,” nói Ricard Alert, một nhà sinh học vật lý tại Viện Max Planck cho Vật lý Hệ thống Phức tạp ở Dresden, Đức, người không tham gia vào việc tạo ra chiếc bánh xe. “Tôi rất thích nó.”

Cách di chuyển kỳ quặc của chiếc bánh là một ví dụ cho một xu hướng gần đây: Các nhà vật lý đang tìm cách để hành vi tập thể hữu ích tự nhiên xuất hiện một cách tự spontaneity trong các robot được lắp ráp từ các bộ phận đơn giản tuân theo các quy tắc đơn giản. “Tôi gọi nó là robophysics,” nói Daniel Goldman, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Georgia.

Vấn đề về chuyển động—một trong những hành vi cơ bản nhất của sinh vật—là một vấn đề đã lâu làm nhiều nhà sinh học và kỹ sư đều quan tâm. Khi động vật gặp phải chướng ngại vật và địa hình gồ ghề, chúng ta tự nhiên vượt qua những thách thức này, nhưng cách chúng ta làm điều này không phải là điều đơn giản. Kỹ sư đã cố gắng xây dựng các robot không sụt sùi hoặc lurch khi điều hướng trong môi trường thực tế, và họ không thể lập trình một robot để dự đoán tất cả những thách thức mà nó có thể gặp phải.

Chiếc bánh xe kỳ quặc, được phát triển bởi các nhà vật lý Corentin Coulais của Đại học Amsterdam và Vincenzo Vitelli của Đại học Chicago và đồng nghiệp và được mô tả trong một bản in trước đây, biểu hiện một cách tiếp cận rất khác biệt đối với chuyển động. Chuyển động lên đồi của bánh xe xuất phát từ chuyển động dao động đơn giản trong từng phần thành phần của nó. Mặc dù những phần này không biết gì về môi trường, nhưng bánh xe như một tổng thể tự động điều chỉ chuyển động lung tung của mình để bù đắp cho địa hình không đồng đều.

Các nhà vật lý cũng tạo ra một “quả cầu kỳ lạ” luôn nảy về một bên và một “bức tường kỳ lạ” kiểm soát nơi nó hấp thụ năng lượng từ một va chạm. Các đối tượng này đều xuất phát từ cùng một phương trình mô tả mối quan hệ không đối xứng giữa các động tác căng và ép mà các nhà nghiên cứu đã xác định hai năm trước.

“Đây thực sự là những hành vi mà bạn không mong đợi,” nói Auke Ijspeert, một nhà nghiên cứu robot sinh học tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne. Coulais và Vitelli từ chối bình luận trong khi bài báo mới nhất của họ đang được đánh giá bởi đồng nghiệp.

Ngoài việc hướng dẫn thiết kế các robot mạnh mẽ hơn, nghiên cứu mới này có thể khám phá sâu sắc về vật lý của các hệ thống sống và truyền cảm hứng cho sự phát triển của các vật liệu mới.

Vật Chất Kỳ Lạ

Chiếc bánh xe kỳ lạ xuất phát từ công việc trước đây của Coulais và Vitelli về vật lý của “vật chất hoạt động”—một thuật ngữ tổng quát cho các hệ thống mà các thành phần tiêu thụ năng lượng từ môi trường, chẳng hạn như đàn vi khuẩn, đàn chim và một số vật liệu nhân tạo. Nguồn cung cấp năng lượng tạo ra hành vi phong phú, nhưng cũng dẫn đến sự bất ổn làm cho vật chất hoạt động khó kiểm soát.

Các nhà vật lý lịch sử đã tập trung vào các hệ thống duy trì năng lượng, mà phải tuân theo nguyên lý đối với nhau: Nếu có một cách cho hệ thống này có thể đạt được năng lượng bằng cách di chuyển từ A đến B, bất kỳ quá trình nào đưa hệ thống từ B trở lại A đều phải tốn một lượng năng lượng bằng nhau. Nhưng với sự truyền năng lượng liên tục từ bên trong, ràng buộc này không còn áp dụng.

Trong một bài báo năm 2020 trên Nature Physics, Vitelli và một số đồng nghiệp bắt đầu nghiên cứu về chất rắn hoạt động với tính chất cơ học không đối với nhau. Họ phát triển một khung lý thuyết trong đó tính không đối xứng tỏ ra trong mối quan hệ giữa các loại chuyển động căng và ép khác nhau. “Đối với tôi, đó chỉ là một khung công thức toán học tuyệt vời,” nói Nikta Fakhri, một nhà sinh học vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts.

Giả sử bạn ép một bên của một chất rắn, khiến nó bò ra phía ngoài theo một hướng vuông góc. Bạn cũng có thể căng và ép nó dọc theo một trục quay 45 độ, làm méo nó thành hình kim cương. Trong một chất rắn bình thường, chúng hai chế độ này là độc lập; biến dạng chất rắn theo một hướng không làm cho nó biến dạng theo cả hai đường chéo.

Trong một chất rắn hoạt động, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng hai chế độ có thể có một sự kết hợp không đối xứng: Ép chất rắn theo một hướng cũng sẽ ép nó dọc theo trục quay 45 độ, nhưng ép dọc theo đường chéo này sẽ căng nó, không phải làm cho nó bị ép theo trục ban đầu. Toán học, số mô tả sự kết hợp giữa hai chế độ này là dương theo một hướng và âm theo hướng khác. Do sự khác biệt về dấu, các nhà vật lý gọi hiện tượng này là “độ co kỳ lạ.”

Trong một chất rắn đàn hồi kỳ lạ, việc hoàn nguyên một biến dạng không đơn giản như việc đảo ngược các chuyển động căng và ép tạo ra nó; thay vào đó, chu kỳ biến dạng trả chất rắn về cấu hình ban đầu có thể để lại nó với một lượng năng lượng thặng dư. Điều này có những hậu quả đáng chú ý, như khả năng di chuyển lên đồi của chiếc bánh xe kỳ lạ.

Trong khi đó, Coulais, một người thực nghiệm, đang nghiên cứu sự không đối xứng trong vật chất hoạt động robot bao gồm một chuỗi các mô-đun đơn giản, mỗi cái được trang bị động cơ, cảm biến và bộ điều khiển. Với những khả năng cảm biến và điều khiển này, Coulais có thể sử dụng vòng lặp phản hồi để lập trình mỗi mô-đun để phản ứng không đối xứng với các chuyển động của những người láng giềng của nó.

Hai nhà vật lý, cựu đồng nghiệp tại Đại học Leiden ở Hà Lan, sau đó hợp tác để phát triển vật chất hoạt động robot mà sẽ biểu thị toán học của độ co kỳ lạ.

Dao động Hiếm Hoi

Đàn hồi bình thường—độ co của vật chất—là một đặc tính chung xuất phát từ các tương tác giống như lò xo giữa các thành phần vi mô của vật chất. Coulais và Vitelli muốn đưa một chút độc đáo vào các tương tác co giãn giữa các mô-đun robot.

Trong thiết kế mới của họ, mỗi mô-đun bao gồm một động cơ điều khiển quay của hai cánh nhựa, với dây cao su cung cấp tính co giãn bằng cách kéo lại trên các cánh. Các nhà nghiên cứu bắt đầu với một cặp mô-đun chia sẻ một cánh. Các cảm biến và bộ điều khiển trên các mô-đun thực hiện một vòng lặp phản hồi không đối xứng: Việc quay theo chiều kim đồng hồ của động cơ đầu tiên sẽ tạo ra một mô-men xoay theo chiều kim đồng hồ trên động cơ thứ hai, nhưng quay theo chiều kim đồng hồ của động cơ thứ hai sẽ tạo ra một mô-men xoay ngược chiều kim đồng hồ trên động cơ đầu tiên.

Sắp xếp này là không ổn định theo bản chất. Để yên, các mô-đun sẽ ngồi yên mãi mãi, nhưng chỉ cần một chạm nhẹ sẽ tạo ra một trận chiến kéo dài mãi mãi: Bất kỳ chiều nào động cơ quay, tương tác với động cơ khác đẩy nó trở lại theo hướng ngược lại. Nếu sự kết nối giữa các mô-đun đủ mạnh, các cánh sẽ bắt đầu dao động đi lại với biên độ ngày càng tăng.

Đằng sau tay lái

Bây giờ, khi Coulais và Vitelli đã kỹ thuật các khối xây dựng của chất kỳ quặc, là lúc để lắp ráp chúng. Nhiều mô-đun kết nối theo cách đúng sẽ giống như chất rắn đàn hồi kỳ quặc mà Vitelli đã tưởng tượng ban đầu. Điều gì sẽ xảy ra nếu những mô-đun này được liên kết với nhau bằng các cánh chung để tạo thành một bánh xe?

Khi nhóm cung cấp điện cho các động cơ, vòng lặp bắt đầu dao động, xen kẽ căng và ép giảm với các chuyển động tương tự có góc là 45 độ. Nó chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ tự biến dạng trong lý thuyết về đàn hồi kỳ quặc của Vitelli. Dao động chu kỳ giới hạn của các động cơ liền kề tạo ra một chu kỳ giới hạn trong chuyển động tổng thể của bánh xe. Sự kỳ lạ của việc kết nối của các động cơ đã chỉ ra một hướng cho chuyển động của bánh xe, giống như một bậc thang Escher phá vỡ đối xứng giữa vòng lặp theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ—một chiều đều là dốc xuống và một chiều đều là dốc lên. Năng lượng tạo ra trong mỗi chu kỳ giới hạn cho phép bánh xe đẩy lùi chống lại mặt đất và cuộn lên.

Khó có thể xác định tại sao chuyển động lên dốc của bánh xe lại mạnh mẽ như vậy, chính xác bởi vì chu kỳ giới hạn của nó là một hiện tượng emergent, không thấy khi bạn xem xét bất kỳ mô-đun cá nhân nào. Nick Gravish, một chuyên gia robot học tại Đại học California, San Diego, nghi ngờ rằng dao động chu kỳ giới hạn của mỗi cặp động cơ giới hạn rất nhiều các chuyển động tổng hợp có thể của bánh xe. Anh chú ý rằng sự xuất hiện của chuyển động tổng hợp từ dao động cấp thấp có tương đồng trong sinh học: “Các loài động vật là rất nhiều thành phần dao động nối tiếp phải làm việc cùng nhau.”

Coulais và Vitelli cũng khám phá tác động của các kết hợp kỳ quặc đối với các va chạm. Họ đã chỉ ra rằng một quả bóng kỳ quặc—một đối tượng bay được lắp ráp từ các mô-đun kỳ quặc—luôn luôn sẽ nảy ra theo một hướng cụ thể khi được phóng mà không quay, trong khi một bức tường kỳ quặc có thể kiểm soát hướng nơi nó hấp thụ năng lượng từ một đối tượng bay tới. Những chức năng này có thể hữu ích trong thiết kế các vật liệu hoạt động mới, theo lời của Denis Bartolo, một nhà vật lý tại École Normale Supérieure ở Lyon, Pháp, thêm vào đó rằng “bước quan trọng tiếp theo là tìm cách tự lắp ráp những máy móc này.”

Robophysics

Trước các thử nghiệm gần đây, không rõ rằng tương tác kỳ quặc sẽ tạo ra chuyển động. Mỗi động cơ chỉ phản ứng với những người láng giềng của nó, nhưng bánh xe vẫn di chuyển về phía trước. Sự thiếu hiệu quả kiểm soát từ trên xuống này đặc biệt thu hút sự tò mò của các nhà sinh học đang tìm hiểu cách bầy đàn hợp tác mà không có những người lãnh đạo chỉ định, và làm thế nào các loài động vật nguyên thủy không có hệ thống thần kinh tìm kiếm thức ăn.

Chuyển động tự nhiên của bánh xe kỳ quặc thu hút nhiều nhà nghiên cứu chủ yếu vì các khối xây dựng của bánh xe quá đơn giản. “Bạn có thể bị lạc trong sự phức tạp của các hệ thống sống,” nói Alert. Anh ta trỏ đến một câu trích dẫn nổi tiếng của Richard Feynman: “Điều gì tôi không thể tạo ra, tôi không thể hiểu.”

Coulais và Vitelli đã phát triển các mô-đun kỳ quặc của họ mà không mô phỏng bất kỳ hệ thống sống cụ thể nào, vì vậy câu hỏi đặt ra là liệu sinh học có sử dụng cùng một động lực xuất hiện không. M. Cristina Marchetti, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học California, Santa Barbara, gọi kết quả này là “rất thú vị,” và nói bước tiếp theo để hiểu vai trò có thể có trong sinh học là xem hành vi tồn tại tốt như thế nào trong một môi trường ồn ào như một tế bào sống.

Tuy nhiên, trong khi tiến hóa thường tìm ra giải pháp tốt cho các vấn đề, nó có thể bỏ lỡ cơ hội. Bánh xe kỳ quặc có thể là một sự mới mẻ thực sự. Bartolo lưu ý rằng, trong thiết kế của robot, máy móc và vật liệu, sự lấy cảm hứng từ sinh học có những hạn chế: “Nếu bạn cố gắng tạo ra một máy bay sử dụng cánh đập, bạn vẫn sẽ đi bộ hoặc bơi từ Normandy đến New York.”

Chuyện gốc được tái bản với sự cho phép của Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập thuộc sở hữu của Tổ chức Simons có nhiệm vụ nâng cao sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa ra các phát triển và xu hướng nghiên cứu trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và khoa học sinh học.