Robotteknik: Fysiker avslöjar hemligheterna bakom automatiskt stopp!

Robotteknik: Fysiker avslöjar hemligheterna bakom automatiskt stopp!

Fysiker vid Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) och University of La Sapienza i Rom har upptäckt hur aktiva robotar kan stoppas av stötar genom att förlora sin kinetiska energi genom statisk friktion. Denna teknik kan ha omfattande tillämpningar, särskilt inom robotteknik, där effektivitet och energiförbrukning är nyckelfrågor. Resultaten av denna studie publicerades i den prestigefyllda tidskriften Nature Communications och visar att statisk friktion, när den uppstår mellan robotar, är mycket effektiv för att få dem att stanna.

Nyckeln till denna forskning ligger i fenomenet statisk friktion, som säkerställer att två fasta ämnen förblir i vila tills en kritisk lutningsvinkel överskrids. I experimenten användes 3D-printade minirobotar som drivs av en vibrerande platta. Dessa robotar uppvisade fascinerande stop-and-go-beteende och bildade kluster där de var "kalla" när beläggningstätheten var hög och drivkraften låg.

Friktion som motor och broms

Som forskningen visar förväntar sig forskarna att komplexiteten i friktionsbeteende kan skapa dynamiska kluster som innehåller både kalla och varma områden. Detta är en balans som normalt inte uppnås och det förklarar konkurrensen mellan aktivitet och coulombfriktion. Första författaren till studien Dr Alexander Antonov gjorde ett betydande bidrag till att återskapa denna fysiska mekanism genom modellsimuleringar. Prof. Caprini betonar att systemet fungerar extremt autonomt och kyler sig självt genom stötar utan behov av yttre ingrepp.

Dessa insikter om friktion erbjuder också lovande perspektiv för framtida tillämpningar. Prof. Löwen ser möjligheter att automatiskt styra det kollektiva beteendet hos robotar och bulkmaterial. Att använda statisk friktion för att spara energi kan vara viktigt för olika tekniker i framtiden, inklusive fordonsdäck.

Insikter i tillämpningar och mekanismer

Friktionens inverkan på tekniska system underskattas ofta. Dynamik inom maskinteknik visar att olinjäriteter i struktur och kontakt är avgörande, särskilt i applikationer som fordonsdrifter där friktion spelar en roll. Olika forskningsprojekt inom detta område, såsom studier av stabilitet och bifurkation under påverkan av friktion, har bidragit till att skärpa förståelsen för friktionsbeteende. Dessa fynd är relevanta inte bara för mekaniska system, utan också för cellbiologiska frågor.

Ett annat övervägande är användningen av smörjmedel, som ofta används för att minska slitage och förbättra värmeöverföringen. Dessa tillför dock ytterligare komplexitet till de befintliga friktionsmekanismerna. Forskning om vätskereduktion syftar till att främja miljömässigt hållbara lösningar, vilket kan utgöra ett betydande steg i rätt riktning.

Med tanke på de olika implikationer och matematiska analogier som finns mellan friktion och andra dynamiska problem inom ingenjörskonst, är det tydligt att en djupare förståelse av friktion och dess effekter är av stor betydelse för framtiden. Innovativa metoder för forskning kommer att bidra till att vidareutveckla teknik och hitta nya lösningar.

Den ursprungliga publikationen har titeln "Self-sustained frictional cooling in active matter" av Antonov et al. (2025) finns i Nature Communications: här.

För detaljerad information om de matematiska modellerna och deras tillämpningar i forskningen samt aktuella publikationer inom friktionsområdet hänvisar vi till arbetet med Kassel universitet och ytterligare fynd av Tekniska universitetet i Braunschweig.