Le système d’auto-assemblage Frog Swarms inspire des robots autorégulateurs

Inspirés par les habitudes d’essaim de certains animaux, les chercheurs ont développé un système de matériaux flexibles auto-oscillants qui peuvent s’organiser dynamiquement et qui, selon eux, peuvent être utilisés pour concevoir de futurs systèmes robotiques.

Une équipe de la Swanson School of Engineering de l’Université de Pittsburgh (Pitt’s) a étudié les grenouilles arboricoles japonaises dans leurs recherches, qui relèvent de la catégorie des « swarmalators », ou entités qui coordonnent à la fois leurs mouvements spatiaux et leurs horloges de temps inhérentes lorsqu’elles se déplacent dans une formation d’essaim , ont déclaré les chercheurs.

Plus précisément, chaque grenouille change à la fois son emplacement et son taux de coassement par rapport à toutes les autres grenouilles d’un groupe. Ceci est différent du comportement de certaines autres créatures grouillantes, telles que les oiseaux ou les poissons, qui ne font que coordonner leur emplacement par rapport aux autres pour créer une unité cohérente. D’autres, comme les lucioles, sont différents, coordonnant leur comportement temporel – le clignotement de leurs lumières – pour former un essaim.

Les grenouilles arboricoles exploitent non seulement les deux caractéristiques dans leur essaimage, mais elles changent également de forme lorsqu’elles coassent, ce que quiconque a déjà vu une grenouille le saurait. Ce comportement coordonné joue également un rôle dans leurs habitudes d’essaim.

Science inspirée de la nature

Inspirés par cela, les chercheurs ont développé des composants capables d’adapter mutuellement leurs formes globales lorsqu’ils interagissent dans une chambre remplie de fluide pour s’auto-assembler dynamiquement, ont-ils déclaré.

Jusqu’à présent, il y avait très peu de systèmes matériels dans lesquels les unités individuelles du système pouvaient synchroniser simultanément leur assemblage spatial, leurs oscillations temporelles et leurs changements morphologiques, a déclaré Anna C. Balazs, éminente professeure de génie chimique et pétrolier et John A. Swanson Chair of Engineering chez Pitt qui a dirigé les travaux.

Les systèmes qui fonctionnent de cette manière peuvent éclairer le développement de systèmes robotiques collaboratifs et autorégulateurs qui peuvent se réunir de manière tout aussi synchronisée pour exécuter les fonctions qui leur sont assignées de manière répétée, a-t-elle déclaré.

« Les matériaux auto-oscillants convertissent un signal non périodique en mouvement périodique du matériau », a expliqué Balazs dans un communiqué de presse.

Pour créer les matériaux, les chercheurs ont utilisé des modèles informatiques pour concevoir d’abord des feuilles flexibles de taille micronique et millimétrique en solution qui peuvent répondre à un apport non périodique de réactifs chimiques. La solution le fait en subissant spontanément des changements oscillatoires d’emplacement, de mouvement et de forme, a déclaré Balazs.

Elle a utilisé l’exemple d’une feuille unique initialement plate qui peut se transformer en une forme tridimensionnelle « ressemblant à une queue de poisson ondulante, qui oscille simultanément d’avant en arrière à travers la microchambre », a déclaré Balazs dans un communiqué de presse. Selon les chercheurs, ce sont les réactions catalytiques dans une chambre fluidique qui alimentent les auto-oscillations des feuilles flexibles.

Comment ça fonctionne

Cela fonctionne comme ceci : les réactions sur les surfaces de la feuille et de la chambre initient une boucle de rétroaction complexe qui convertit l’énergie chimique en flux de fluide, ont-ils déclaré. Cela transporte et déforme les feuilles flexibles qui, en raison de leur structure évolutive, affectent le mouvement du fluide. Ceci, à son tour, continue de déformer les feuilles, ont expliqué les chercheurs.

« Le comportement dynamique complexe est une caractéristique critique des systèmes biologiques », a expliqué Oleg E. Shklyaev, un associé post-doctoral qui a également travaillé sur la recherche, dans un communiqué de presse. « Les choses ne se rassemblent pas et ne s’arrêtent pas de bouger. De manière analogue, ces feuilles s’assemblent dans le temps et dans l’espace appropriés pour former un système dynamique composite plus grand. De plus, cette structure s’autorégule et peut remplir des fonctions qu’une seule feuille ne peut remplir à elle seule.

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

L’équipe décrit ce qu’ils ont dit être un phénomène encore plus curieux lorsqu’ils introduisent une deuxième feuille dans le système – des formes d’auto-organisation entre les structures vibrantes, ont-ils déclaré.

« Pour deux feuilles ou plus, les oscillations temporelles collectives et le comportement spatial peuvent être contrôlés en faisant varier la taille des différentes feuilles ou le motif de revêtement de catalyseur sur la feuille », a expliqué Balazs dans un communiqué de presse. Ces variations permettent de contrôler la phase relative des oscillations, par exemple, les oscillateurs peuvent se déplacer en phase ou en opposition de phase, a-t-elle déclaré.

Dans l’ensemble, Balazs a déclaré que les résultats des chercheurs sont « excitants » car ils pourraient « éventuellement conduire à des formes de calcul bio-inspiré – tout comme les oscillateurs couplés sont utilisés pour transmettre des informations en électronique – mais avec un comportement auto-entretenu et autorégulé ».