ENGINEERINGNET.BE - Het Nederlands-Franse team bestudeert al enkele jaren collectief gedrag. Oorspronkelijk was de vraag: hoe kun je in het laboratorium de collectieve bewegingen die in de natuur voorkomen reproduceren, bijvoorbeeld die van vogels of vissen?
Hiertoe ontwierp het team experimenten met 'actieve materie': materie waarvan de elementaire bouwstenen uit zichzelf bewegen. Bijvoorbeeld lopende korrels, zwemmende druppels en mini-robots. Hiermee waren ze in staat collectief gedrag te reproduceren en te bestuderen.
Recent richtte het onderzoek zich op het fenomeen van 'filevorming' als een systeem dichter wordt. Vanuit een vloeibare toestand wordt het systeem dan langzaam maar zeker vast. Is collectieve beweging ook mogelijk in een actieve vaste stof?
"Voor de actieve deeltjes kozen we Hexbugs. Dat zijn kleine, gemotoriseerde robotjes. Als vast, elastisch materiaal maakten we een netwerk van cilinders verbonden door veren. Door in elk van de cilinders een Hexbug te plaatsen, vormden we een actieve vaste stof," aldus promovendus Paul Baconnier.
Elke Hexbug vervormt het netwerk door te proberen te bewegen, waarbij de robot beïnvloed wordt door de verplaatsingen veroorzaakt door de activiteiten van zijn buren. Onder bepaalde condities leidt dit getouwtrek tot een gesynchroniseerde collectieve beweging.
"Als de actieve vaste stof simpelweg op de grond wordt gezet, werken de Hexbugs spontaan samen en begint het materiaal door het laboratorium te bewegen."
"Als we de vaste stof aan de hoekpunten vastmaken, wordt een nieuw soort collectieve beweging zichtbaar. Alle elementen van het netwerk oscilleren op een periodieke, gesynchroniseerde manier rond hun evenwichtspositie."
Om dit verschijnsel van collectieve aandrijving te verklaren, varieerden de onderzoekers de parameters van het experiment, zoals de stijfheid van de veren en de vorm van het netwerk.
Ze lieten zo zien dat de collectieve aandrijving een gevolg is van de combinatie van de activiteit van de Hexbugs en de elasticiteit van de netwerklinks, die ervoor zorgt dat de structuur kan vervormen en dat elke Hexbug zich kan richten in reactie op deze vervorming.
Het team heeft het waargenomen gedrag gemodelleerd en numeriek gereproduceerd, zelfs in systemen met enkele duizenden actieve componenten. De spontane collectieve aandrijving doet denken aan de bewegingen die worden waargenomen in bepaalde cellulaire dynamica, in het bijzonder in bepaalde huidweefsels, die daarmee aan de hand van dit onderzoek beter begrepen kunnen worden.
Video:
