Comment une horde de robots actifs peut-il être automatiquement amené à l'arrêt? En arrêtant leur dynamique d'une manière auto-entretenue. Ce phénomène a été découvert par des physiciens de l'Université Heinrich Heine Duseldorf (HHU) et de l'Université La Sapienza à Rome. Le principe de seuil de frottement statique avec le sol joue ici un rôle décisif: il élimine l'énergie cinétique de deux robots après une collision mutuelle si efficacement qu'ils ne peuvent plus se déclencher.
Les chercheurs décrivent dans la revue Communications de la nature que cet effet fondamental peut également être utilisé pour construire des systèmes de robots en mouvement contrôlables.
La friction crée de la chaleur, comme quiconque sait qui s'est frotté les mains par temps hivernal. Et la friction coûte de l'énergie. Le frottement des routes sur les pneus de véhicule, par exemple, entraînera un ralentissement constant d'une voiture en mouvement à moins que l'accélérateur ne soit utilisé.
Deux corps solides, l'un sur l'autre, ne bougeront pas, même s'ils sont légèrement inclinés, car la friction statique les maintient ensemble. Ce n'est que lorsqu'un angle de basculement critique est atteint que le haut glisser, une fois que le frottement a été surmonté par la force de gravité. Les physiciens qualifient cela de frottement statique « sèche » (il n'y a pas de lubrifiant), également connu sous le nom de frottement Coulomb.
L'effet de la friction de Coulomb sur le mouvement est important dans de nombreux scénarios d'application. Avec des grains secoués censés s'écouler d'un silo, par exemple, la force motrice ou «l'activité» n'est pas constante, mais plutôt fluctuante. Cela conduit à un mouvement d'arrêt et de go compliqué, car une particule se déplace jusqu'à ce qu'elle soit ralentie par une fluctuation défavorable et est ensuite amenée à l'arrêt par une friction statique, pour recommencer lorsque la prochaine fluctuation favorable se produit. En physique, une particule au repos serait « froide » tandis qu'une particule en mouvement est « chaude ». Le frottement statique provoque ainsi finalement le refroidissement des particules actives.
En collaboration avec le professeur Dr. Lorenzo Caprini de Rome, un groupe de physiciens dirigés par le professeur Dr Hartmut Lowen de l'Institut de physique théorique II de l'Université Heinrich Heine Dusseldorf a étudié le comportement de nombreux objets actifs de ce type. Dans une expérience de démonstration, des centaines de mini-robots imprimés en 3D se sont précipités, entraînés par une plaque vibrante verticalement.
En se déplaçant, les robots essaims sont continuellement entrés en collision les uns avec les autres. Étant donné une forte densité et une faible force motrice près du seuil, la friction statique s'installe pendant les collisions, provoquant à plusieurs reprises les particules en collision (robots) cesser de bouger. Avec le temps, cela conduit à la formation de grappes de robots qui ne bougent plus, c'est-à-dire « froid ».
Le professeur Lowen déclare, « Fait intéressant, avec de grands grappes qui changent dynamiquement, une configuration mixte émerge dans laquelle les zones froides coexistent avec des plus chaudes. En équilibre, cela est impossible, car de telles différences de température s'annuleraient immédiatement par collision. »
Ce comportement est induit par une interaction des forces concurrentes de l'activité et de la friction de Coulomb. Dans des simulations informatiques approfondies menées à la Heinrich Heine University Dusseldorf, qui a fidèlement modélisé l'expérience, l'auteur principal de l'étude, le Dr Alexander Antonov, a trouvé un comportement similaire en preuve tant qu'un comportement de seuil est le principe sous-jacent. « Nous avons réalisé ce dont de nombreux physiciens théoriciens rêvent – de comprendre le mécanisme physique derrière un phénomène expérimental et de le reproduire par la suite dans des simulations informatiques numériques. »
L'auteur de l'étude correspondant, le professeur Caprini, estime qu'il existe un potentiel de futures applications, déclarant: « Le point clé est qu'aucune intervention extérieure n'est nécessaire pour refroidir le système. Au lieu de cela, les robots se refroidissent en collisant. »
Le professeur Lowen observe: « Cet effet de refroidissement inattendu pourrait être utilisé à l'avenir pour contrôler automatiquement les armées entières de robots, ou le comportement collectif des matériaux en vrac, sans intervention externe. »
