在阿姆斯特丹的一個物理實驗室里，有一種輪子可以通過擺動自動上坡。
這個“奇異輪子”看起來很簡單。六個小馬達由塑料臂和橡皮筋連接在一起，形成一個直徑約6英寸的環(huán)。當(dāng)馬達啟動時，它開始扭動，執(zhí)行復(fù)雜的擠壓和拉伸動作，偶爾還會飛到空中，同時緩慢地沿著顛簸的泡沫坡道前進。
奇異輪子的非正統(tǒng)運行模式體現(xiàn)了最近的一種趨勢。物理學(xué)家正在尋找方法，讓服從簡單規(guī)則的簡單部件組裝起來的機器人自發(fā)地產(chǎn)生有用的集體行為。有科學(xué)家將之稱作做機器人物理學(xué)。
運動是生物最基本的行為之一，這個問題長期以來一直困擾著生物學(xué)家和工程師。我們?nèi)祟惡推渌?span id="d5twhv8" class="wpcom_tag_link">動物遇到障礙和崎嶇的地形時，會本能地從容應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，但要搞清楚如何做到這一點并不那么簡單。
工程師們一直在努力制造在現(xiàn)實環(huán)境中行進時不會翻倒或前傾的機器人，因為不可能通過編程讓機器人預(yù)測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動方法。
輪子的上坡運動來自于其每個組成部分的簡單振蕩運動。雖然這些部分對環(huán)境一無所知，但輪子作為一個整體會自動調(diào)整其擺動運動，以補償不平整的地形。
除了指導(dǎo)設(shè)計更強大的機器人，這項新研究可能會促進對生命系統(tǒng)物理的洞察，并啟發(fā)新材料的開發(fā)。
奇異輪子理論源于科學(xué)家過去對“活性物質(zhì)”物理學(xué)的研究。“活性物質(zhì)”是一個概括性術(shù)語，指的是系統(tǒng)的組成部分從環(huán)境中消耗能量，比如細菌群、鳥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，把它扭曲成一個鉆石形狀。在一個普通的被動固體中，這兩種模式是獨立的，在一個方向上變形固體不會沿任何一個對角線變形。
在一個活躍的固體中，研究人員表明，這兩種模式可以有非互易耦合。在一個方向上擠壓固體也會沿著旋轉(zhuǎn)45度的軸擠壓它，但沿著這條對角線擠壓會沿著原軸拉伸，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)字在一個方向上是正的，在另一個方向上是負(fù)的。由于符號差異，物理學(xué)家稱這種現(xiàn)象為“奇異彈性”。
在一個奇異彈性固體中，消除變形并不像扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生變形的拉伸和擠壓運動那么簡單。相反，使固體恢復(fù)到初始形態(tài)的變形循環(huán)會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動。
既然研究人員已經(jīng)設(shè)計好了奇異物質(zhì)的組成部分，現(xiàn)在是時候組裝它們了。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，形成一個輪子，會發(fā)生什么？
當(dāng)研究團隊為馬達提供動力時，這個回路開始擺動，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回切換。相鄰電機的極限環(huán)振蕩在整個車輪的集體運動中產(chǎn)生了一個極限環(huán)。奇異的電機耦合為車輪的運動單獨指明了一個方向，一個方向是下坡，另一個方向是上坡。在每個極限循環(huán)過程中產(chǎn)生的能量使輪子能夠推動地面并向上滾動。
很難確定為什么輪子的上坡運動如此強勁，這恰恰是因為它的極限環(huán)是一個緊急現(xiàn)象，而不是你仔細觀察任何單獨的模塊時所看到的。研究人員懷疑，每對馬達的極限環(huán)振蕩極大地限制了車輪可能的集體運動。從低水平振蕩中出現(xiàn)的集體運動在生物學(xué)上有相似之處，動物是許多相互關(guān)聯(lián)的振蕩組件，它們必須一起工作。
在最近的實驗之前，奇異的相互作用是否會導(dǎo)致運動并不是很明顯。每個馬達只對相鄰的馬達作出反應(yīng)，但輪子仍然向前移動。這種自上而下控制的缺失特別吸引了生物學(xué)家的興趣，他們試圖了解沒有指定的領(lǐng)導(dǎo)者的蜂群是如何合作的，以及沒有神經(jīng)系統(tǒng)的原始動物是如何尋找食物的。
奇異輪子是真正的新奇事物，但在在機器人、機器和材料的設(shè)計中，生物靈感有其局限性，對生物簡單的模仿可能并沒有真正洞察其本質(zhì)。
