Objetos ‘ímpares’ se destacam em navegar em terrenos desafiadores sem controle central

A locomoção, a capacidade de passar de um lugar para outro, é uma estratégia de sobrevivência essencial para praticamente todos os organismos. Adaptando -se ao terreno imprevisível que eles encontram, células, fungos e microorganismos se movem e mudam de forma autonomamente para explorar seus ambientes, enquanto os animais correm, rastejam, deslizam, rolam e pulavam.

Mas, apesar dos avanços no poder da computação e na IA, os robôs criados pelo homem ainda lutam para imitar esse movimento, especialmente em terrenos novos e imprevisíveis.

Em um artigo publicado em Naturezaos físicos da Universidade de Amsterdã e da Universidade de Chicago mostram uma série de objetos “estranhos” que são notavelmente bons em se mover em qualquer terreno que encontrem – incluindo subidas e obstáculos colocados em seu caminho. Mas, diferentemente dos robôs tradicionalmente projetados, eles não têm controle ou cérebro centralizado; Eles estão simplesmente respondendo a pequenas forças umas sobre as outras e o terreno.

Isso oferece uma nova maneira de realizar a locomoção, disseram os cientistas, e podem resolver problemas no movimento do robô.

“O impressionante sobre isso é o seu minimalismo”, disse Colin Scheibner, Ph.D., co-primeiro autor do artigo. “Não há um algoritmo complicado que alimenta suas decisões. Sinto que há algo poderoso sobre sua simplicidade, que aborda a questão do movimento de uma maneira diferente”.

Movimento sem cérebro de uma estranha elasticidade

Em vez de um design tradicional de robô, os robôs ímpares são um conjunto de dispositivos motorizados simples, conectados por Springs elásticas. Quando ligados, os movimentos dos blocos de construção interagindo entre si impulsionam todo o conjunto.

A principal diferença é que esses objetos não estão sendo direcionados ou controlados por um “cérebro” centralizado, que os diferencia da maioria das tentativas anteriores de movimento robótico. Em vez disso, o movimento vem apenas das interações entre os blocos de construção motorizados dos objetos.

“Os blocos de construção exercem forças que são não simétricas e não-recíprocas. Isso significa que um bloco de construção A reage ao seu bloco de construção vizinho B de maneira diferente da que B reage a A”, explicou Jonas Veenstra, co-primeiro autor da publicação e Ph.D. estudante da Universidade de Amsterdã.

À medida que o objeto se move, um ciclo de auto-reforço é criado. O terreno deforma o objeto, o edifício do objeto bloqueia o sentido e responde ainda mais deformando o objeto, e o objeto avança e encontra um novo terreno.

O objeto foi capaz de se mover facilmente sobre terrenos muito desafiadores, como pilhas de areia ou um campo de rolamentos de esferas.

Usando os mesmos princípios, os pesquisadores podem construir formas diferentes: uma “cadeia estranha” do tipo vermes de blocos de construção vinculados se mexem através de um túnel flexível e de terreno desigual. Da mesma forma, uma “bola estranha” feita de blocos de construção conectados em uma grade hexagonal rola em terrenos planos, mas muda para uma marcha rastejante para se mover para cima.

Diferentemente dos materiais elásticos comuns, que comprimem na mesma direção que uma força aplicada e respiram na direção perpendicular, os objetos feitos desses blocos de construção sempre se estendem na diagonal em um ângulo fixo, um fenômeno conhecido como “elasticidade ímpar”.

‘Uma sensação de choque’

Não confunda os movimentos Wigplly dos objetos para a aleatoriedade, disseram os cientistas. Sua locomoção é confiável e robusta graças à sua natureza descentralizada e ao fato de que os sólidos sentem e respondem ativamente ao seu ambiente.

“Houve uma sensação de choque quando descobrimos o quão robustos eles eram, dada a sua simplicidade”, disse Scheibner, que conduziu a pesquisa como estudante de pós -graduação em Uchicago e agora é pesquisadora da Universidade de Princeton.

Mesmo quando os cientistas desligaram mais da metade das unidades individuais, o robô como um todo poderia continuar.

A pesquisa faz parte de um campo crescente conhecido como “metamateriais ativos” – referindo -se a estruturas artificiais compostas por unidades individuais alimentadas por motores, que podem demonstrar habilidades interessantes.

“Você pode imaginar muitas situações em que precisa de uma máquina para se aventurar em território acidentado de forma autônoma”, disse Vincenzo Vitelli, professor de física da Universidade de Chicago e co-autor do estudo. “A idéia de uma que é extremamente robusta para danificar e ganha mais energia quanto mais obstáculos encontra, é muito atraente”.

O princípio básico também é intrigante, disseram os cientistas; Pode ser uma maneira de pensar em como a locomoção evoluiu pela primeira vez em animais que não possuem cérebros centralizados, como estrelas do mar ou moldes de lodo. Também poderia sugerir aplicações em outros campos, como ciência e química de materiais.

“É curioso pensar em quão pequeno você pode fazer esse bloco de construção”, disse Scheibner. “Por exemplo, como não requer algoritmos complexos, você poderia descer para apenas algumas moléculas? Apenas algumas ligações químicas? Aproveitando simetrias quebradas para loops mínimos de feedback poderia inspirar técnicas em pequenas escalas”.