Une roue faite de «matière étrange» roule spontanément vers le haut

Dans une physique laboratoire à Amsterdam, il y a une roue qui peut rouler spontanément vers le haut en se tortillant.

Cette « roue impaire » a l’air simple : seulement six petits moteurs reliés entre eux par des bras en plastique et des élastiques pour former un anneau d’environ 6 pouces de diamètre. Lorsque les moteurs sont allumés, il commence à se tordre, exécutant des mouvements d’écrasement et d’étirement compliqués et se jetant parfois dans les airs, tout en remontant lentement une rampe en mousse cahoteuse.

« Je trouve cela très ludique », a déclaré Ricard Alert, biophysicien à l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde, en Allemagne, qui n’a pas participé à la fabrication de la roue. « J’ai beaucoup aimé. »

Le mode de déplacement peu orthodoxe de la roue impaire illustre une tendance récente : les physiciens trouvent des moyens de faire émerger spontanément un comportement collectif utile dans des robots assemblés à partir de pièces simples qui obéissent à des règles simples. « Je l’appelle la robophysique », a déclaré Daniel Goldman, physicien au Georgia Institute of Technology.

Le problème de la locomotion, l’un des comportements les plus élémentaires des êtres vivants, préoccupe depuis longtemps les biologistes et les ingénieurs. Lorsque les animaux rencontrent des obstacles et un terrain accidenté, nous relevons instinctivement ces défis, mais la façon dont nous le faisons n’est pas si simple. Les ingénieurs ont eu du mal à construire des robots qui ne s’effondrent pas ou ne basculent pas vers l’avant lorsqu’ils naviguent dans des environnements du monde réel, et ils ne peuvent pas programmer un robot pour anticiper tous les défis qu’il pourrait rencontrer.

La roue impaire, développée par les physiciens Corentin Coulais de l’Université d’Amsterdam et Vincenzo Vitelli de l’Université de Chicago et leurs collaborateurs et décrite dans une récente prépublication, incarne une approche très différente de la locomotion. Le mouvement ascendant de la roue résulte d’un simple mouvement oscillatoire de chacune de ses parties constitutives. Bien que ces pièces ne sachent rien de l’environnement, la roue dans son ensemble ajuste automatiquement son mouvement d’agitation pour compenser les irrégularités du terrain.

L’énergie générée lors de chaque oscillation cyclique de la roue impaire lui permet de pousser contre le sol et de rouler vers le haut et sur les obstacles. (Une autre version de la roue avec seulement six moteurs a été étudiée dans un article récent.)Vidéo : Corentin Coulais

Les physiciens ont également créé une « balle impaire » qui rebondit toujours d’un côté et un « mur impair » qui contrôle l’endroit où il absorbe l’énergie d’un impact. Les objets proviennent tous de la même équation décrivant une relation asymétrique entre les mouvements d’étirement et d’écrasement que les chercheurs ont identifiée il y a deux ans.

« Ce sont en effet des comportements auxquels on ne s’attendrait pas », a déclaré Auke Ijspeert, bioroboticien à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. Coulais et Vitelli ont refusé de commenter alors que leur dernier article est en cours d’examen par les pairs.

En plus de guider la conception de robots plus robustes, la nouvelle recherche pourrait donner un aperçu de la physique des systèmes vivants et inspirer le développement de nouveaux matériaux.

Matière étrange

La roue impaire est née des travaux antérieurs de Coulais et Vitelli sur la physique de la « matière active » – ​​un terme générique pour les systèmes dont les éléments constitutifs consomment de l’énergie de l’environnement, tels que les essaims de bactéries, les volées d’oiseaux et certains matériaux artificiels. L’apport d’énergie engendre des comportements riches, mais il conduit aussi à des instabilités qui rendent la matière active difficilement contrôlable.

Vincenzo Vitelli de l’Université de Chicago.Avec l’aimable autorisation de Kristen Norman

Les physiciens se sont historiquement concentrés sur les systèmes qui conservent l’énergie, qui doivent obéir aux principes de réciprocité : s’il existe un moyen pour un tel système de gagner de l’énergie en se déplaçant de A à B, tout processus qui ramène le système de B à A doit coûter un prix égal. quantité d’énergie. Mais avec un apport constant d’énergie de l’intérieur, cette contrainte ne s’applique plus.

Dans un article de 2020 dans Physique naturelle, Vitelli et plusieurs collaborateurs ont commencé à étudier les solides actifs aux propriétés mécaniques non réciproques. Ils ont développé un cadre théorique dans lequel la non-réciprocité se manifeste dans les relations entre différents types de mouvements d’étirement et d’écrasement. « Pour moi, c’était juste un beau cadre mathématique », a déclaré Nikta Fakhri, biophysicienne au Massachusetts Institute of Technology.