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A miniaturização está progredindo rapidamente em qualquer campo e a tendência para a criação de unidades cada vez menores também prevalece no mundo da tecnologia robótica. No futuro, robôs minúsculos usados em aplicações médicas e farmacêuticas poderão transportar medicamentos para locais específicos do corpo. A física estatística pode contribuir com as bases para o desenvolvimento de tais tecnologias. Uma equipe de pesquisadores da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) agora adotou uma nova abordagem para a questão, analisando um grupo de robôs e como eles se comportam como coletivos de unidades móveis com base no modelo de partículas brownianas ativas. As descobertas da equipe que demonstram que pode haver uma rota alternativa para realizar matéria ativa programável foram publicadas em Avanços da ciência.
Coletivos de unidades robóticas podem resolver tarefas que uma única máquina não pode resolver sozinha
Os pesquisadores estão procurando novas maneiras de realizar tarefas em micro e nanoescala que, de outra forma, são difíceis de realizar, principalmente porque a miniaturização de dispositivos e componentes está começando a atingir os limites físicos. Uma nova opção que está sendo considerada é o uso de coletivos de unidades robóticas no lugar de um único robô para completar uma tarefa. “As capacidades de resolução de tarefas de um microrrobô são limitadas devido ao seu tamanho pequeno”, disse o professor Thomas Speck, que liderou o estudo na Universidade de Mainz. “Mas um coletivo de tais robôs trabalhando juntos pode muito bem realizar tarefas complexas com sucesso considerável”. A física estatística torna-se relevante aqui na medida em que analisa modelos para descrever como esse comportamento coletivo pode emergir de interações, comparável ao comportamento dos pássaros quando se reúnem.
A equipe de pesquisa estudou o comportamento coletivo de vários pequenos robôs disponíveis comercialmente. Esses chamados andadores são impulsionados por meio de vibrações internas transmitidas a duas fileiras de pernas minúsculas. Como o comprimento, a forma e a rigidez das pernas diferem ligeiramente de robô para robô, eles seguem órbitas circulares com um raio específico para cada caminhante individual. Parecendo e se movendo como pequenos besouros, esses robôs têm uma forma elíptica e são enviados em uma nova direção quando colidem uns com os outros.
“Nosso objetivo era examinar e descrever o comportamento coletivo desses robôs e determinar se seria possível derivar usos potenciais disso”, acrescentou Frank Siebers, principal autor do artigo. “Ao mesmo tempo, nós, como físicos, também estávamos interessados nos fenômenos em si.” Os pesquisadores puderam observar dois efeitos quando o coletivo de robôs apresenta variações em termos de suas órbitas, ou seja, em um grupo que apresenta maior diversidade. Em primeiro lugar, os caminhantes precisavam de menos tempo para explorar o espaço em que foram colocados. Em segundo lugar, quando contidos em um espaço fechado, eles começaram a sofrer triagem auto-organizada. Dependendo de seu raio orbital, os robôs se acumularam na parede confinante ou começaram a se reunir no interior do espaço.
A física estatística fornece insights sobre o comportamento dos coletivos
“Seria possível explorar esse tipo de atividade para fazer com que os robôs transportassem uma carga e interagissem com essa carga, por exemplo. A velocidade com que eles conseguiriam percorrer os espaços aumentaria, fazendo com que a carga fosse entregue mais cedo ”, disse o professor Thomas Speck, descrevendo uma aplicação potencial. “A física estatística pode ajudar a descobrir novas estratégias que podem ser utilizadas por coletivos de robôs.”
O campo de modelos de matéria ativa e robótica abrange muitos reinos dos vivos e do mundo não vivo em que o comportamento coletivo ou o movimento coletivo pode ser observado, sendo um exemplo proeminente a maneira como bandos de pássaros se movem em uníssono. “O que fizemos aqui foi aplicar a teoria subjacente à nossa compreensão de agrupamento e enxame em sistemas robóticos”, disse Frank Siebers, da JGU.
A pesquisa foi financiada sob a égide do Centro de Pesquisa Colaborativa/TRR 146 em Métodos de Simulação Multiescala para Sistemas de Matéria Mole, um projeto cooperativo envolvendo a Universidade Johannes Gutenberg Mainz, a TU Darmstadt e o Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros. Os pesquisadores basearam suas conclusões nos resultados de seus experimentos, bem como em cálculos de modelo realizados no supercomputador MOGON II da JGU. O pesquisador principal, o professor Thomas Speck, foi professor no Instituto de Física JGU de 2013 a 2022. Ele agora é chefe do Instituto de Física Teórica IV da Universidade de Stuttgart.
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