Physiker an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Universität La Sapienza in Rom haben herausgefunden, wie aktive Roboter durch Stöße gestoppt werden können, indem sie ihre Bewegungsenergie durch Haftreibung verlieren. Diese Technologie könnte weitreichende Anwendungen finden, insbesondere in der Robotik, wo Effizienz und Energieverbrauch zentrale Themen sind. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der renommierten Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht und zeigen, dass Haftreibung, wenn sie zwischen Robotern auftritt, sehr effektiv dazu beiträgt, sie zum Stillstand zu bringen.
Der Schlüssel zu dieser Forschung liegt im Phänomen der Haftreibung, das dafür sorgt, dass zwei Festkörper in Ruhe bleiben, bis ein kritischer Neigungswinkel überschritten wird. In den Experimenten wurden 3D-gedruckte Miniroboter eingesetzt, die von einer vibrierenden Platte angetrieben wurden. Diese Roboter zeigten ein faszinierendes Stop-and-Go-Verhalten, bei dem sie Cluster bildeten, in denen sie „kalt“ waren, wenn die Belegdichte hoch und die Antriebskraft niedrig war.
Reibung als Motor und Bremse
Wie die Forschungen zeigen, erwarten die Wissenschaftler, dass durch die Komplexität des Reibungsverhaltens dynamische Cluster entstehen können, die sowohl kalte als auch heiße Bereiche beinhalten. Dies ist ein Gleichgewicht, das normalerweise nicht erreicht wird, und es erklärt den Wettstreit zwischen Aktivität und Coulombreibung. Studienerstautor Dr. Alexander Antonov hat maßgeblich dazu beigetragen, diesen physikalischen Mechanismus durch Modellsimulationen nachzubilden. Prof. Caprini hebt hervor, dass das System dabei ungemein autonom arbeitet, sich selbst durch Stöße abkühlt, ohne dass extern eingegriffen werden muss.
Diese Erkenntnisse über die Reibung bieten auch vielversprechende Ausblicke auf zukünftige Anwendungen. So sieht Prof. Löwen Möglichkeiten, das kollektive Verhalten von Robotern und Schüttgütern automatisiert zu steuern. Die Verwendung von Haftreibung zur Energieeinsparung könnte in Zukunft für verschiedene Technologien, einschließlich Fahrzeugreifen, von Bedeutung sein.
Einblicke in Anwendungen und Mechanismen
Der Einfluss von Reibung auf technische Systeme wird oft unterschätzt. Die Dynamik im Maschinenbau zeigt, dass Nichtlinearitäten in der Struktur und im Kontakt maßgeblich sind, besonders in Anwendungen wie Fahrzeugantrieben, wo Reibung eine Rolle spielt. Diverse Forschungsprojekte in diesem Bereich, wie Untersuchungen zur Stabilität und Bifurkation unter dem Einfluss von Reibung, haben dazu beigetragen, das Verständnis für Reibungsverhalten zu schärfen. Diese Erkenntnisse sind nicht nur für mechanische Systeme relevant, sondern auch für zellbiologische Fragestellungen.
Ein weiterer Aspekt ist die Verwendung von Schmiermitteln, die oft zur Verringerung von Verschleiß und zur Verbesserung des Wärmetransports eingesetzt werden. Diese addieren jedoch zusätzliche Komplexität zu den bestehenden Reibungsmechanismen. Die Forschung hinsichtlich der Reduktion von Fluidmengen zielt darauf ab, ökologisch nachhaltige Lösungen zu fördern, was einen bedeutenden Schritt in die richtige Richtung darstellen könnte.
In Anbetracht der vielfältigen Auswirkungen und der mathematischen Analogie, die zwischen Reibung und anderen dynamischen Problemen in der Technik besteht, wird deutlich, dass ein tieferes Verständnis von Reibung und ihren Effekten für die Zukunft von großer Bedeutung ist. Innovative Ansätze in der Forschung werden dabei helfen, Technologien weiterzuentwickeln und neue Lösungen zu finden.
Die Originalpublikation ist unter dem Titel „Self-sustained frictional cooling in active matter“ von Antonov et al. (2025) in Nature Communications zu finden: hier.
Für detaillierte Informationen zu den mathematischen Modellen und deren Anwendungen in der Forschung, sowie zu aktuellen Veröffentlichungen im Bereich der Reibung, verweisen wir auf die Arbeiten von Kassel Universität und weitere Erkenntnisse der Technischen Universität Braunschweig.
