물리학자들은 단순한 구성 부품 간의 일반적인 상호 작용 규칙을 수정하여 로봇 운동의 주요 문제를 해결했습니다.
일련의 모양을 순환하면서 이상한 바퀴가 가파르고 울퉁불퉁한 지형 위로 스스로 추진됩니다.
사무엘 벨라스코/Quanta 매거진
소개
암스테르담의 한 물리학 실험실에는 흔들림으로 자발적으로 오르막길을 굴러갈 수 있는 바퀴가 있습니다.
이 "이상한 바퀴"는 단순해 보입니다. 6개의 작은 모터가 플라스틱 암과 고무 밴드로 서로 연결되어 직경이 약 6인치인 링을 형성합니다. 모터의 전원이 켜지면 몸부림치기 시작하고 복잡한 스쿼시 및 스트레칭 동작을 수행하며 때때로 공중으로 몸을 날리면서 울퉁불퉁한 폼 경사로를 천천히 올라갑니다.
바퀴 제작에는 참여하지 않았지만 독일 드레스덴에 있는 막스 플랑크 복잡계 물리학 연구소의 생물물리학자인 Ricard Alert는 "나는 이것이 매우 재미있다고 생각합니다."라고 말했습니다. “정말 좋았어요.”
이상한 바퀴의 비정통적인 이동 모드는 최근 추세를 잘 보여줍니다. 물리학자들은 간단한 규칙을 따르는 단순한 부품으로 조립된 로봇에서 유용한 집단적 행동이 자발적으로 나타나도록 하는 방법을 찾고 있습니다. 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology)의 물리학자인 다니엘 골드만(Daniel Goldman)은 "나는 그것을 로봇물리학이라고 불러왔습니다."라고 말했습니다.
생물의 가장 기본적인 행동 중 하나인 이동 문제는 생물학자와 엔지니어 모두가 오랫동안 관심을 가져왔던 문제입니다. 동물이 장애물과 울퉁불퉁한 지형에 직면할 때 우리는 본능적으로 이러한 도전을 당당하게 받아들이지만 이를 수행하는 방법은 그리 간단하지 않습니다. 엔지니어들은 실제 환경을 탐색할 때 쓰러지거나 앞으로 휘청거리지 않는 로봇을 만들기 위해 노력해 왔으며, 직면할 수 있는 모든 문제를 예측하도록 로봇을 프로그래밍할 수는 없습니다.
암스테르담 대학교의 물리학자 Corentin Coulais와 시카고 대학교의 Vincenzo Vitelli 및 공동 연구자가 개발하고 최근 출판 전 출판물에서 설명한 홀수 바퀴는 운동에 대한 매우 다른 접근 방식을 구현합니다. 바퀴의 오르막 움직임은 각 구성 부품의 단순한 진동 운동에서 나타납니다. 이러한 부품은 환경에 대해 전혀 알지 못하지만 바퀴 전체는 고르지 않은 지형을 보완하기 위해 흔들리는 동작을 자동으로 조정합니다.
물리학자들은 또한 항상 한쪽으로 튀는 "이상한 공"과 충격으로부터 에너지를 흡수하는 위치를 제어하는 "이상한 벽"을 만들었습니다. 이 물체들은 모두 연구원들이 2년 전에 확인한 스트레칭과 스쿼시 동작 사이의 비대칭 관계를 설명하는 동일한 방정식에서 유래했습니다.
스위스 로잔 연방 공과대학의 생물로봇공학자인 Auke Ijspeert는 "이것은 실제로 예상하지 못한 행동입니다."라고 말했습니다. Coulais와 Vitelli는 그들의 최신 논문이 동료 검토를 받는 동안 논평을 거부했습니다.
새로운 연구는 보다 강력한 로봇의 설계를 안내할 뿐만 아니라 생명체의 물리학에 대한 통찰력을 촉발하고 새로운 재료 개발에 영감을 줄 수 있습니다.
이상한 물질
이상한 바퀴는 "활성 물질" 물리학에 대한 Coulais와 Vitelli의 과거 연구에서 탄생했습니다. 활성 물질은 박테리아 떼, 새 떼, 특정 인공 물질과 같이 구성 요소가 환경에서 에너지를 소비하는 시스템을 가리키는 포괄적인 용어입니다. 에너지 공급은 풍부한 행동을 유발하지만 활성 물질을 제어하기 어렵게 만드는 불안정성을 초래하기도 합니다.
물리학자들은 역사적으로 상호성의 원칙을 준수해야 하는 에너지를 보존하는 시스템에 초점을 맞춰왔습니다. 이러한 시스템이 A에서 B로 이동하여 에너지를 얻는 방법이 있다면 시스템을 B에서 A로 다시 가져오는 과정에는 동일한 양의 에너지가 필요합니다. 그러나 내부로부터 에너지가 지속적으로 유입되면서 이러한 제약은 더 이상 적용되지 않습니다.
자연 물리학의 2020년 논문에서 , Vitelli 및 여러 공동 작업자는 비가역적 기계적 특성을 가진 활성 고체를 조사하기 시작했습니다. 그들은 다양한 종류의 스트레칭과 스쿼시 동작 사이의 관계에서 비상호성이 나타나는 이론적 틀을 개발했습니다. MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 생물물리학자인 Nikta Fakhri는 "나에게 그것은 단지 아름다운 수학적 틀에 불과했습니다."라고 말했습니다.
솔리드의 한쪽 면을 눌러 수직 방향으로 바깥쪽으로 부풀어오르게 한다고 가정해 보겠습니다. 또한 45도 회전된 축을 따라 늘리거나 스쿼시하여 다이아몬드 모양으로 왜곡할 수도 있습니다. 일반적인 수동 솔리드에서는 이 두 가지 모드가 독립적입니다. 솔리드를 한 방향으로 변형해도 대각선으로는 변형되지 않습니다.
활성 고체에서 연구원들은 두 가지 모드가 대신 비상호적 결합을 가질 수 있음을 보여주었습니다. 고체를 한 방향으로 찌그러뜨리면 45도 회전된 축을 따라 찌그러지지만 이 대각선을 따라 찌그러뜨리면 원래 축을 따라 찌그러지는 것이 아니라 늘어나게 됩니다. 수학적으로, 이 두 모드 사이의 결합을 설명하는 숫자는 한 방향으로는 양수이고 다른 방향으로는 음수입니다. 부호 차이 때문에 물리학자들은 이 현상을 '이상한 탄력성'이라고 부릅니다.
이상한 탄성 고체에서 변형을 취소하는 것은 변형을 생성한 스트레칭 및 스쿼시 동작을 되돌리는 것만큼 간단하지 않습니다. 대신에 고체를 시작 구성으로 되돌리는 변형 주기로 인해 약간의 과잉 에너지가 남을 수 있습니다. 이는 홀수 바퀴의 오르막 이동을 가능하게 하는 등 놀라운 결과를 가져옵니다.
암스테르담 대학교의 코랑틴 쿨레
데이비드 딕스트라
한편 실험가인 Coulais는 각각 모터, 센서 및 마이크로컨트롤러가 장착된 간단한 모듈 체인으로 구성된 로봇 활성 물질의 비상호성을 연구하고 있었습니다. 이러한 감지 및 제어 기능을 통해 Coulais는 피드백 루프를 사용하여 각 모듈이 이웃의 움직임에 비상호적으로 반응하도록 프로그래밍할 수 있습니다.
네덜란드 라이덴 대학의 동료였던 두 명의 물리학자는 이상한 탄성의 수학을 구현하는 로봇 활성 물질을 개발하기 위해 협력했습니다.
흔하지 않은 진동
일반적인 탄성(물질의 탄력성)은 물질의 미세한 구성 요소 사이의 스프링과 같은 상호 작용에서 나타나는 대량 특성입니다. Coulais와 Vitelli는 로봇 모듈 사이의 탄성 상호작용에 이상한 변형을 가하려고 했습니다.
새로운 디자인에서 각 모듈은 두 개의 플라스틱 팔의 회전을 제어하는 모터와 팔을 뒤로 당겨 탄력성을 제공하는 고무 밴드로 구성되었습니다. 연구원들은 팔을 공유하는 한 쌍의 모듈로 시작했습니다. 모듈의 센서와 컨트롤러는 비가역 피드백 루프를 구현했습니다. 첫 번째 모터의 시계 방향 회전은 두 번째 모터의 시계 방향 토크를 생성하지만, 두 번째 모터의 시계 방향 회전은 첫 번째 모터의 반시계 방향 토크를 생성합니다.
이 배열은 본질적으로 불안정합니다. 방해받지 않고 놔두면 모듈은 영원히 가만히 있을 것이지만, 조금만 조금만 움직여도 끝없는 줄다리기가 일어날 것입니다. 모터가 어느 방향으로 회전하든 다른 모터와의 상호 작용은 모터를 반대 방향으로 밀어냅니다. 모듈 간의 결합이 충분히 강하면 암이 진폭이 증가하면서 앞뒤로 진동하기 시작합니다.
두 개의 모터 각도를 나타내는 축이 있는 2D 플롯에서 이러한 진동 증가는 바깥쪽 나선형으로 나타나며 주자가 M.C.를 하강하는 것처럼 각 사이클에서 에너지를 얻습니다. Escher 계단을 오르며 각 랩마다 속도가 빨라집니다. 그러나 모터는 너무 많은 토크만 내보낼 수 있고 마찰로 인해 에너지가 손실되므로 결국 진동의 진폭이 최고조에 달합니다. 모터 각도의 2D 플롯에서 나선형 궤적은 원으로 수렴한 다음 해당 경로를 정확하게 되돌립니다. 물리학자들은 이러한 자립적이고 일정한 진폭의 진동을 한계 주기라고 부릅니다.
모듈의 한계 주기 진동은 종종 복잡한 시스템을 괴롭히는 혼돈에 대한 안정적이고 규칙적인 움직임의 승리를 나타냅니다. 하나의 진자가 다른 진자에 매달려 있는 혼란스러운 "이중 진자"를 생각해 보십시오. 초기 조건의 작은 변화는 곧 공간을 통해 완전히 다른 궤적으로 이어집니다. 한계 사이클은 반대 현상입니다. 초기 조건이 다르면 궁극적으로 동일한 궤도가 생성됩니다. Coulais와 Vitelli의 홀수 모듈의 경우 처음에 어느 팔을 어느 방향으로 밀었는지에 관계없이 시스템은 결국 동일한 정상 상태 진동을 나타냅니다.
이 핵심 기능은 한계 주기 진동을 (단일) 진자의 친숙한 순환 운동보다 더 특별하게 만듭니다. 진자의 위치와 속도에 대한 2D 플롯에서 진동은 닫힌 루프 주위의 궤도로 나타나지만 진자가 다른 속도로 흔들리기 시작하면 더 크거나 작은 원을 추적하게 됩니다. 한계 주기 진동은 훨씬 더 강력합니다. 서로 다르게 시작하는 많은 궤적이 정확히 동일한 궤도에 수렴하며, 시스템이 이 궤도에서 조금씩 멀어지면 다시 안으로 들어가게 됩니다.
이러한 한계 주기 진동은 연구원들에게 활성 물질의 다루기 힘든 역학을 길들여 작동시킬 수 있는 방법을 제공했습니다.
운전대 뒤에서
이제 Coulais와 Vitelli가 이상한 물질로 구성된 빌딩 블록을 설계했으므로 이제 이를 조립할 차례입니다. 올바른 방식으로 연결된 많은 모듈은 Vitelli가 처음에 상상했던 이상한 탄성 고체와 유사합니다. 이 모듈들이 공유 암으로 서로 연결되어 바퀴를 형성한다면 어떻게 될까요?
팀이 모터에 전원을 공급하자 루프가 진동하기 시작하여 45도 각도로 유사한 동작으로 늘어나거나 찌그러졌습니다. 그것은 Vitelli의 이상한 탄성 이론에서 두 가지 자기 변형 모드 사이를 앞뒤로 전환했습니다. 인접한 모터의 한계 주기 진동은 바퀴 전체의 집합적 움직임에 한계 주기를 생성했습니다. Escher 계단이 시계 방향과 시계 반대 방향 랩 사이의 대칭을 깨뜨린 것처럼 모터 결합의 기이함은 바퀴의 이동 방향을 식별했습니다. 모두 한 방향으로 내리막이고 다른 방향으로 모두 오르막입니다. 각 한계 주기 동안 생성된 에너지로 인해 바퀴가 지면을 밀고 위로 굴러갈 수 있었습니다.
인접한 로봇 모듈 사이의 이상한 상호 작용을 활용하여 이상한 벽을 만들 수도 있습니다.
코랑틴 쿨레 제공
바퀴의 오르막 이동이 그토록 견고한 이유를 정확히 파악하기는 어렵습니다. 왜냐하면 바퀴의 한계 주기는 개별 모듈을 면밀히 조사할 때 볼 수 없는 새로운 현상이기 때문입니다. 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 로봇공학자인 Nick Gravish는 각 모터 쌍의 한계 주기 진동이 바퀴의 가능한 집단 동작을 크게 제한한다고 의심합니다. 그는 낮은 수준의 진동에서 집단 운동의 출현이 생물학과 유사하다고 지적했습니다. "동물은 함께 작동해야 하는 상호 연결된 진동 구성 요소가 많습니다."
Coulais와 Vitelli는 또한 충돌에 대한 이상한 결합의 영향을 조사했습니다. 그들은 이상한 모듈로 조립된 발사체인 이상한 공이 회전 없이 발사될 때 항상 특정 방향으로 튕겨 나가는 반면, 이상한 벽은 발사체에서 에너지를 흡수하는 방향을 제어할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 프랑스 리옹에 있는 École Normale Supérieure의 물리학자인 Denis Bartolo는 이러한 기능이 새로운 활성 물질을 설계하는 데 유용할 수 있다고 말하면서 "다음으로 이뤄야 할 큰 단계는 이러한 기계를 자체 조립하는 방법을 찾는 것"이라고 덧붙였습니다.
로보물리학
최근 실험 이전에는 이상한 상호 작용이 운동을 유발한다는 것이 분명하지 않았습니다. 각 모터는 이웃 모터에만 반응하지만 바퀴는 앞으로 움직입니다. 이러한 하향식 제어의 부재는 지정된 리더 없이 떼가 어떻게 협력하는지, 그리고 신경계가 없는 원시 동물이 먹이를 찾는 방법을 이해하려는 생물학자들에게 특히 흥미를 유발합니다.
이상한 바퀴의 새로운 이동은 바퀴의 구성 요소가 매우 단순하기 때문에 연구자들에게 큰 매력을 줍니다. “살아있는 시스템의 복잡성 속에서 길을 잃을 수도 있습니다.”라고 Alert는 말했습니다. 그는 Richard Feynman의 유명한 명언인 "내가 만들 수 없는 것은 이해할 수 없는 것입니다."를 지적했습니다.
Coulais와 Vitelli는 특정 생명체 시스템을 모방하지 않고 이상한 모듈을 개발했기 때문에 생물학이 동일한 창발 역학을 활용했는지 여부는 열린 질문입니다. 캘리포니아대학교 산타바바라 캠퍼스의 이론물리학자 M. 크리스티나 마케티(M. Cristina Marchetti)는 이번 결과가 "매우 흥미롭다"며 생물학에서 가능한 역할을 이해하기 위한 다음 단계는 살아있는 세포와 같은 시끄러운 환경에서 행동이 얼마나 잘 지속되는지 확인하는 것이라고 말했습니다.
그러나 진화는 종종 문제에 대한 좋은 해결책을 찾는 반면 기회를 놓칠 수도 있습니다. 이상한 바퀴는 진정한 참신함일지도 모릅니다. Bartolo는 로봇, 기계 및 재료 설계에 있어서 생물 영감에는 한계가 있다고 지적합니다. “만약 날개를 펄럭이는 비행기를 만들려고 한다면 여전히 노르망디에서 뉴욕까지 걷거나 수영하는 것과 같을 것입니다.”
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