La miniaturización avanza rápidamente en cualquier campo y la tendencia hacia la creación de unidades cada vez más pequeñas también prevalece en el mundo de la tecnología robótica. En el futuro, los robots minúsculos utilizados en aplicaciones médicas y farmacéuticas podrían transportar medicamentos a sitios específicos del cuerpo. La física estadística puede contribuir a las bases para el desarrollo de tales tecnologías. Un equipo de investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) ha adoptado ahora un nuevo enfoque sobre el tema al analizar un grupo de robots y cómo se comportan como colectivos de unidades móviles basadas en el modelo de partículas brownianas activas. Los hallazgos del equipo que demuestran que puede haber una ruta alternativa para realizar materia activa programable se han publicado en Avances de la ciencia.
Colectivos de unidades robóticas podrían resolver tareas que una sola máquina no puede resolver por sí sola
Los investigadores están buscando nuevas formas de realizar tareas a micro y nanoescala que de otro modo serían difíciles de realizar, particularmente porque la miniaturización de dispositivos y componentes está comenzando a alcanzar límites físicos. Una nueva opción que se está considerando es el uso de colectivos de unidades robóticas en lugar de un solo robot para completar una tarea. «Las capacidades de resolución de tareas de un microrobot están limitadas debido a su pequeño tamaño», dijo el profesor Thomas Speck, quien dirigió el estudio en la Universidad de Mainz. «Pero un colectivo de tales robots que trabajen juntos bien podría llevar a cabo tareas complejas con un éxito considerable». La física estadística se vuelve relevante aquí porque analiza modelos para describir cómo ese comportamiento colectivo puede surgir de las interacciones, comparable al comportamiento de las aves cuando se juntan.
El equipo de investigación estudió el comportamiento colectivo de una serie de pequeños robots disponibles comercialmente. Estos llamados caminantes son impulsados a través de vibraciones internas transmitidas a dos filas de diminutas patas. Debido a que la longitud, la forma y la rigidez de las piernas difieren ligeramente de un robot a otro, siguen órbitas circulares con un radio específico para cada caminante individual. Estos robots, que se ven y se mueven como pequeños escarabajos, tienen una forma elíptica y se envían en una nueva dirección cuando chocan entre sí.
«Nuestro objetivo era examinar y describir el comportamiento colectivo de estos robots y determinar si sería posible derivar usos potenciales de esto», agregó Frank Siebers, autor principal del artículo. «Al mismo tiempo, nosotros, como físicos, también estábamos interesados en los fenómenos per se». Los investigadores pudieron observar dos efectos cuando el colectivo de robots tiene variaciones en cuanto a sus órbitas, es decir, en un grupo que muestra mayor diversidad. En primer lugar, los caminantes requerían menos tiempo para explorar el espacio en el que estaban colocados. Y en segundo lugar, cuando estaban contenidos dentro de un espacio cerrado, comenzaron a someterse a una clasificación autoorganizada. Dependiendo de su radio orbital, los robots se acumularon en la pared de confinamiento o comenzaron a reunirse en el interior del espacio.
La física estadística proporciona información sobre el comportamiento de los colectivos.
“Sería posible explotar este tipo de actividad para que los robots transporten una carga e interactúen con esa carga, por ejemplo. La velocidad con la que podrían atravesar espacios aumentaría, lo que significa que la carga se entregaría antes. ”, dijo el profesor Thomas Speck, describiendo una posible aplicación. «La física estadística puede ayudar a descubrir nuevas estrategias que pueden ser utilizadas por colectivos de robots».
El campo de los modelos de materia activa y la robótica cubre muchos ámbitos del mundo vivo y no vivo en los que se puede observar el comportamiento colectivo o el movimiento colectivo, siendo un ejemplo destacado la forma en que las bandadas de pájaros se mueven al unísono. «Lo que hemos hecho aquí es aplicar la teoría subyacente a nuestra comprensión de la agrupación y el enjambre a los sistemas robóticos», dijo Frank Siebers de JGU.
La investigación fue financiada bajo los auspicios del Centro de Investigación Colaborativo/TRR 146 sobre Métodos de Simulación Multiescala para Sistemas de Materia Blanda, un proyecto cooperativo que involucra a la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, TU Darmstadt y el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros. Los investigadores basaron sus conclusiones en el resultado de sus experimentos, así como en los cálculos del modelo realizados en la supercomputadora MOGON II de JGU. El investigador principal, el profesor Thomas Speck, ocupó una cátedra en el Instituto de Física JGU de 2013 a 2022. Ahora es el director del Instituto de Física Teórica IV de la Universidad de Stuttgart.
