Rencontrez les robots de la taille d’une pinte qui dansent spontanément

En janvier 2020, un laboratoire du deuxième étage de l’Université Northwestern a été rempli du cliquetis modéré de trois robots poussant les uns autour des autres. Le trio était dans un petit ring alors qu’ils se frappaient l’un contre l’autre, bien que le petit les robots n’étaient pas la variété rock ’em, chaussette. C’étaient des particules intelligentes et actives – «smarticles» – équipées de deux volets en forme de palette pour les bras, s’étendant sur moins de 6 pouces de bout en bout, et surmontées d’étiquettes pour suivre leur position et leur orientation. Les petits buggers traversaient les mouvements imprévisibles et peu flatteurs du désordre jusqu’à ce que, de temps en temps, ils se transforment gracieusement en mouvements coordonnés reconnaissables: une danse.

Les smarticles n’étaient pas programmés avec des instructions particulières, ni invités à se faire plaisir les uns avec les autres. Les bots étaient des entraînements prescrits, ou des modèles de mouvement pour leurs volets, qui ont étonnamment cédé la place à des séquences de danse. Les modèles, et la physique qui les sous-tendent, sont décrits dans un article publié aujourd’hui dans la revue Science. La recherche a été financée par la National Science Foundation, la James S. McDonnell Foundation et le Army Research Office.

Lorsque les smarticles n’étaient pas synchronisés, il y avait un «chaos de battements et de collisions tout autour du ring, ce qui était fascinant à regarder, mais certainement pas ordonné», a déclaré Thomas Beruetta, roboticien à l’Université Northwestern et co-auteur de l’article. , lors d’un appel vidéo. Mais en faisant équipe avec Pavel Chvykov, physicien au Massachusetts Institute of Technology, et Jeremy England, physicien auparavant au MIT et maintenant à Georgia Tech, l’équipe de recherche a programmé les smarticles pour effectuer le modèle de conduite en même temps.

«Tout à coup, ils faisaient cette belle procession de rotation», a déclaré Beretta. «En tant que personne qui avait des smarticles et ne les avait pas fait auparavant, c’était comme si [Chvykov] est venu et a fait un tour de magie avec mes propres outils.

L’ordre est présent dans de nombreux endroits du monde naturel – le troupeau d’oiseaux, par exemple, ou l’eau se cristallisant dans la glace – mais il est prédit que c’est une bête en situation de non-équilibre, où des forces extérieures sont en jeu. (Et pour être clair, le monde du non-équilibre est le grand, le plus large à l’extérieur de votre fenêtre – un vaste domaine comparé aux exploits réalisables dans un environnement de laboratoire prévisible). Dans les années 1870, un physicien suisse du nom de Charles Soret a mené des expériences qui ont montré comment une solution saline dans un tube exposé à la chaleur d’un côté provoquerait un ordre plus important des particules du côté le plus froid. Parce que les molécules se déplacent plus violemment du côté chaud du tube, plus d’entre elles finissent par se déplacer vers le côté plus froid; les molécules plus froides, avec leurs mouvements délicats, ne finissent pas par voyager aussi loin aussi vite. Cela signifie que les particules finissent par s’accumuler du côté froid du tube. Le principe, appelé thermophorèse, a été un modèle pour l’Angleterre et Tchvykov pour voir la promesse d’objets dans des états dits à faible cliquetis.

Le cliquetis, c’est quand la matière utilise l’énergie qui y circule pour se déplacer. Selon l’Angleterre, plus le cliquetis est important, plus le mouvement est aléatoire ou spastique, et plus le cliquetis est bas, plus le mouvement est intentionnel ou incrémental. Les deux pourraient également être vrais.

« L’idée est que si votre matière et votre source d’énergie permettent la possibilité d’un état à faible cliquetis, le système se réorganisera au hasard jusqu’à ce qu’il trouve cet état et s’y coince », a déclaré l’Angleterre dans un communiqué de Georgia Tech. « Si vous fournissez de l’énergie par des forces avec un modèle particulier, cela signifie que l’état sélectionné découvrira un moyen pour la matière de se déplacer qui correspond parfaitement à ce modèle. »

Dans ce cas, le motif était le mouvement de volet prescrit, et la matière se déplaçant pour correspondre à ce motif était les robots qui se giflaient en rotations et en translation autour de l’anneau qui les entourait. Ces petits clapets étaient un excellent terrain d’essai pour l’idée que des états à faible cliquetis donneraient lieu à des danses stables et auto-organisées. Contrairement à d’autres muses, les smarticles n’avaient pas de source moléculaire de comportement d’auto-ordre (comme la façon dont l’eau se transforme en glace à une certaine température). Les autres variables en jeu dans les cristaux cèdent la place à des explications alternatives pour la commande, obscurcissant l’idée à faible bruit que l’équipe de recherche voulait tester.

Étant donné que les smarticles ne se déplacent que par contact les uns avec les autres (ils ne peuvent pas faire de pas ni rouler), il y a également moins d’inconnues sur la provenance de la mobilité des objets, a déclaré l’Angleterre, un problème que vous auriez si tous les smarticles avaient petits moteurs les propulsant dans leur danse. Lorsque les robots ne peuvent se déplacer qu’en se poussant, vous savez que le mouvement que vous voyez est le résultat d’un comportement collectif.

«Cet article suggère un principe général selon lequel les systèmes complexes gravitent naturellement vers un comportement qui minimise le« cliquetis »», a déclaré Arvind Murugan, physicien à l’Université de Chicago qui n’est pas affilié au récent article, dans un courriel. «L’application actuelle aux robots montre que l’idée survit à son premier contact avec la réalité. Mais les travaux futurs devront montrer si ce principe est une bonne approximation pour d’autres systèmes complexes – des molécules aux cellules en passant par les foules humaines lors d’un concert de rock (après COVID, bien sûr).

Murugan ajoute que le principe n’est pas toujours vrai, «et seulement approximativement vrai quand il est vrai». Mais l’idée telle qu’interprétée par les robots montre que, étant donné cette force motrice, dans un état de faible bruit, ils danseront.

«Dès que vous avez un groupe de robots qui interagissent les uns avec les autres et interagissent avec les gens … l’idée dans cet article est qu’ils vont être synchronisés de temps en temps. Et quand ils se synchronisent, il y aura un comportement émergent, mais vous ne pouvez pas nécessairement savoir quel sera ce comportement émergent », a déclaré Todd Murphey, robotiste à la Northwestern University et co-auteur de l’article. «Si nous ne voulons pas parler du comportement émergent comme un résultat fondamental auquel nous devrions toujours nous attendre pour un système suffisamment complexe et en déséquilibre, alors nous allons manquer des choses qui peuvent raisonnablement se produire.

Les implications des mouvements robotiques vont au-delà de l’affinage de votre technique DDR. Bien que seulement trois petits engins en rotation, les smarticles affichent un principe qui pourrait être appliqué aux voitures autonomes ou même aux humains à l’intérieur.