在阿姆斯特丹的一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室里，有一種輪子可以通過(guò)擺動(dòng)自動(dòng)上坡。
這個(gè)“奇異輪子”看起來(lái)很簡(jiǎn)單。六個(gè)小馬達(dá)由塑料臂和橡皮筋連接在一起，形成一個(gè)直徑約6英寸的環(huán)。當(dāng)馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)，它開(kāi)始扭動(dòng)，執(zhí)行復(fù)雜的擠壓和拉伸動(dòng)作，偶爾還會(huì)飛到空中，同時(shí)緩慢地沿著顛簸的泡沫坡道前進(jìn)。
奇異輪子的非正統(tǒng)運(yùn)行模式體現(xiàn)了最近的一種趨勢(shì)。物理學(xué)家正在尋找方法，讓服從簡(jiǎn)單規(guī)則的簡(jiǎn)單部件組裝起來(lái)的機(jī)器人自發(fā)地產(chǎn)生有用的集體行為。有科學(xué)家將之稱作做機(jī)器人物理學(xué)。
運(yùn)動(dòng)是生物最基本的行為之一，這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著生物學(xué)家和工程師。我們?nèi)祟惡推渌?span id="v4u3g4n" class="wpcom_tag_link">動(dòng)物遇到障礙和崎嶇的地形時(shí)，會(huì)本能地從容應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，但要搞清楚如何做到這一點(diǎn)并不那么簡(jiǎn)單。
工程師們一直在努力制造在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中行進(jìn)時(shí)不會(huì)翻倒或前傾的機(jī)器人，因?yàn)椴豢赡芡ㄟ^(guò)編程讓機(jī)器人預(yù)測(cè)它可能遇到的所有挑戰(zhàn)。
由阿姆斯特丹大學(xué)的物理學(xué)家Corentin Coulais和芝加哥大學(xué)的Vincenzo Vitelli及其合作者開(kāi)發(fā)最近發(fā)表預(yù)印本文章，描述了奇異輪子體現(xiàn)了一種非常不同的運(yùn)動(dòng)方法。
輪子的上坡運(yùn)動(dòng)來(lái)自于其每個(gè)組成部分的簡(jiǎn)單振蕩運(yùn)動(dòng)。雖然這些部分對(duì)環(huán)境一無(wú)所知，但輪子作為一個(gè)整體會(huì)自動(dòng)調(diào)整其擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以補(bǔ)償不平整的地形。
除了指導(dǎo)設(shè)計(jì)更強(qiáng)大的機(jī)器人，這項(xiàng)新研究可能會(huì)促進(jìn)對(duì)生命系統(tǒng)物理的洞察，并啟發(fā)新材料的開(kāi)發(fā)。
奇異輪子理論源于科學(xué)家過(guò)去對(duì)“活性物質(zhì)”物理學(xué)的研究?！盎钚晕镔|(zhì)”是一個(gè)概括性術(shù)語(yǔ)，指的是系統(tǒng)的組成部分從環(huán)境中消耗能量，比如細(xì)菌群、鳥(niǎo)類群和某些人造材料。能量供應(yīng)產(chǎn)生豐富的行為，但它也導(dǎo)致不穩(wěn)定，使活性物質(zhì)難以控制。
假設(shè)你擠壓固體的一邊，使它在垂直方向向外膨脹。你也可以沿著旋轉(zhuǎn)45度的軸拉伸和擠壓它，把它扭曲成一個(gè)鉆石形狀。在一個(gè)普通的被動(dòng)固體中，這兩種模式是獨(dú)立的，在一個(gè)方向上變形固體不會(huì)沿任何一個(gè)對(duì)角線變形。
在一個(gè)活躍的固體中，研究人員表明，這兩種模式可以有非互易耦合。在一個(gè)方向上擠壓固體也會(huì)沿著旋轉(zhuǎn)45度的軸擠壓它，但沿著這條對(duì)角線擠壓會(huì)沿著原軸拉伸，而不是擠壓。在數(shù)學(xué)上，描述這兩種模式之間耦合的數(shù)字在一個(gè)方向上是正的，在另一個(gè)方向上是負(fù)的。由于符號(hào)差異，物理學(xué)家稱這種現(xiàn)象為“奇異彈性”。
在一個(gè)奇異彈性固體中，消除變形并不像扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生變形的拉伸和擠壓運(yùn)動(dòng)那么簡(jiǎn)單。相反，使固體恢復(fù)到初始形態(tài)的變形循環(huán)會(huì)給它留下一些多余的能量。這產(chǎn)生了驚人的后果，比如使奇異輪子能夠上坡運(yùn)動(dòng)。
既然研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)好了奇異物質(zhì)的組成部分，現(xiàn)在是時(shí)候組裝它們了。許多模塊以正確的方式連接，將類似于設(shè)想的奇異彈性固體。如果這些模塊用共享的臂連接在一起，形成一個(gè)輪子，會(huì)發(fā)生什么？
當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)為馬達(dá)提供動(dòng)力時(shí)，這個(gè)回路開(kāi)始擺動(dòng)，以45度角的相似角度交織著拉伸和擠壓。它在奇異彈性理論的兩種自變形模式之間來(lái)回切換。相鄰電機(jī)的極限環(huán)振蕩在整個(gè)車(chē)輪的集體運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生了一個(gè)極限環(huán)。奇異的電機(jī)耦合為車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)單獨(dú)指明了一個(gè)方向，一個(gè)方向是下坡，另一個(gè)方向是上坡。在每個(gè)極限循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的能量使輪子能夠推動(dòng)地面并向上滾動(dòng)。
很難確定為什么輪子的上坡運(yùn)動(dòng)如此強(qiáng)勁，這恰恰是因?yàn)樗臉O限環(huán)是一個(gè)緊急現(xiàn)象，而不是你仔細(xì)觀察任何單獨(dú)的模塊時(shí)所看到的。研究人員懷疑，每對(duì)馬達(dá)的極限環(huán)振蕩極大地限制了車(chē)輪可能的集體運(yùn)動(dòng)。從低水平振蕩中出現(xiàn)的集體運(yùn)動(dòng)在生物學(xué)上有相似之處，動(dòng)物是許多相互關(guān)聯(lián)的振蕩組件，它們必須一起工作。
在最近的實(shí)驗(yàn)之前，奇異的相互作用是否會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)并不是很明顯。每個(gè)馬達(dá)只對(duì)相鄰的馬達(dá)作出反應(yīng)，但輪子仍然向前移動(dòng)。這種自上而下控制的缺失特別吸引了生物學(xué)家的興趣，他們?cè)噲D了解沒(méi)有指定的領(lǐng)導(dǎo)者的蜂群是如何合作的，以及沒(méi)有神經(jīng)系統(tǒng)的原始動(dòng)物是如何尋找食物的。
奇異輪子是真正的新奇事物，但在在機(jī)器人、機(jī)器和材料的設(shè)計(jì)中，生物靈感有其局限性，對(duì)生物簡(jiǎn)單的模仿可能并沒(méi)有真正洞察其本質(zhì)。
