Một bánh xe làm bằng ‘Vật chất kỳ lạ’

Trong một vật lý phòng thí nghiệm ở Amsterdam, có một bánh xe có thể tự động lăn lên dốc bằng cách lắc lư.

“Bánh xe kỳ quặc” này trông đơn giản: chỉ có sáu động cơ nhỏ được liên kết với nhau bằng các tay nhựa và dây cao su để tạo thành một vòng có đường kính khoảng 6 inch. Khi các động cơ được bật nguồn, nó bắt đầu quằn quại, thực hiện các chuyển động bóp méo và kéo căng phức tạp và thỉnh thoảng bay lên không trung, đồng thời từ từ đi lên một đoạn đường dốc bằng bọt gập ghềnh.

Ricard Alert, một nhà lý sinh tại Viện Max Planck về Vật lý Hệ thống Phức tạp ở Dresden, Đức, cho biết: “Tôi thấy nó rất vui tươi. “Tôi rất thích nó.”

Phương thức di chuyển không chính thống của bánh xe kỳ quặc là minh chứng cho một xu hướng gần đây: Các nhà vật lý đang tìm cách để hành vi tập thể hữu ích xuất hiện một cách tự nhiên trong các robot được lắp ráp từ các bộ phận đơn giản tuân theo các quy tắc đơn giản. Daniel Goldman, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Georgia cho biết: “Tôi đã gọi nó là vật lý lý thuyết.

Vấn đề vận động – một trong những hành vi cơ bản nhất của sinh vật – đã khiến các nhà sinh vật học và kỹ sư bận tâm từ lâu. Khi động vật gặp chướng ngại vật và địa hình hiểm trở, theo bản năng, chúng ta sẽ thực hiện những thử thách này bằng cách sải bước, nhưng cách chúng ta thực hiện điều này không đơn giản như vậy. Các kỹ sư đã phải vật lộn để tạo ra những con robot không bị sụp đổ hoặc chao đảo về phía trước khi điều hướng trong môi trường thế giới thực và họ không thể lập trình một con robot để lường trước tất cả những thách thức mà nó có thể gặp phải.

Bánh xe kỳ lạ, được phát triển bởi các nhà vật lý Corentin Coulais của Đại học Amsterdam và Vincenzo Vitelli của Đại học Chicago và các cộng sự và được mô tả trong một bản in trước gần đây, thể hiện một cách tiếp cận rất khác đối với sự chuyển động. Chuyển động lên dốc của bánh xe xuất hiện từ chuyển động dao động đơn giản trong mỗi bộ phận thành phần của nó. Mặc dù những bộ phận này không biết gì về môi trường, nhưng toàn bộ bánh xe sẽ tự động điều chỉnh chuyển động lắc lư của nó để bù đắp cho địa hình không bằng phẳng.

Năng lượng được tạo ra trong mỗi dao động theo chu kỳ của bánh xe lẻ cho phép nó đẩy lên khỏi mặt đất và lăn lên trên và vượt qua chướng ngại vật. (Một phiên bản khác của bánh xe chỉ có sáu động cơ đã được nghiên cứu trong một bài báo gần đây.)Video: Corentin Coulais

Các nhà vật lý cũng tạo ra một “quả bóng kỳ lạ” luôn nảy về một phía và một “bức tường kỳ lạ” kiểm soát nơi nó hấp thụ năng lượng từ một va chạm. Tất cả các vật thể đều xuất phát từ cùng một phương trình mô tả mối quan hệ bất đối xứng giữa chuyển động kéo căng và bóp méo mà các nhà nghiên cứu đã xác định cách đây hai năm.

Auke Ijspeert, một nhà khí tượng học tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne cho biết: “Đây thực sự là những hành vi mà bạn không ngờ tới. Coulais và Vitelli từ chối bình luận trong khi bài báo mới nhất của họ đang được đánh giá ngang hàng.

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

Vấn đề kỳ quặc

Bánh xe kỳ quặc phát triển từ công trình nghiên cứu trước đây của Coulais và Vitelli về vật lý “vật chất hoạt động” —một thuật ngữ chung để chỉ các hệ thống có các bộ phận cấu thành tiêu thụ năng lượng từ môi trường, chẳng hạn như bầy vi khuẩn, đàn chim và một số vật liệu nhân tạo nhất định. Nguồn cung cấp năng lượng tạo ra hành vi phong phú, nhưng nó cũng dẫn đến sự bất ổn khiến vật chất hoạt động khó kiểm soát.

Các nhà vật lý từ trước đến nay đều tập trung vào các hệ thống bảo tồn năng lượng, hệ thống này phải tuân theo các nguyên tắc có đi có lại: Nếu có cách để một hệ thống như vậy thu được năng lượng bằng cách di chuyển từ A đến B, thì bất kỳ quá trình nào đưa hệ thống từ B trở lại A đều phải tốn một Lượng năng lượng. Nhưng với một luồng năng lượng liên tục từ bên trong, hạn chế này không còn được áp dụng nữa.

Trong một bài báo năm 2020 ở Vật lý tự nhiên, Vitelli và một số cộng tác viên bắt đầu nghiên cứu các chất rắn hoạt tính với các đặc tính cơ học không có kết tủa. Họ đã phát triển một khung lý thuyết, trong đó tính không nguyên tắc biểu hiện trong các mối quan hệ giữa các loại chuyển động kéo căng và bóp méo khác nhau. Nikta Fakhri, một nhà vật lý sinh học tại Viện Công nghệ Massachusetts cho biết: “Điều đó đối với tôi chỉ là một khung toán học tuyệt đẹp.