北京
两种实验结构揭示了微小振动如何汇聚为稳定、协调的运动。
研究人员开发出一种机器人材料，能够使 37 个相连单元的运动实现同步，在没有任何外部授时信号的情况下，把微小振动转化为协调的节律。
这支国际团队构建了一个包含 37 个活动单元的二维蜂窝结构，以及一个独立的、含 24 个电动单元的弹性圆环。两种结构都通过其组件之间的相互作用，形成了重复的运动模式。
研究人员将这种行为描述为一种"时间晶体化"——即系统在时间维度上形成重复模式。与原子结构在空间中重复的传统晶体不同，这些实验材料还随时间呈现出有组织的运动。
这项工作由阿姆斯特丹大学、莱顿大学、伯明翰大学以及其他欧洲机构的研究人员共同参与。它最终有望帮助工程师开发出能够改变形状、并在不依赖中央控制器的情况下协调运动的机器人材料。
振动汇聚成节律
这种实验材料融合了弹性结构、传感器、电子器件和致动器。致动器将电能转化为物理运动，使单个组件能够运动并影响其邻居。
研究人员将这些相互作用设计为"非互易"的。也就是说，当一个组件影响另一个组件时，后者未必会作出对等的回应。
这一差异被证明至关重要。在蜂窝结构中，各单元最初以约 30 赫兹（即每秒 30 次）的频率振荡。随着时间推移，振动逐渐合并为波长和周期更长的更大模式，直至整个结构实现集体运动。
研究人员将这一过程称为"波粗化"。系统无需外部信号来同步每个组件，而是通过内建于材料之中的相互作用，发展出有组织的节律。
团队还测试了一个含有 24 个电动单元的环状结构。起初，环上出现较高频率的形变模式，随后逐渐合并为更大的运动。最终，这个圆环稳定在一个更缓慢、不断重复的周期上。
实验表明，即使存在随机扰动，这些集体模式仍能保持稳定。研究人员还借助数学模型，考察了当系统规模增大时，这种有序运动的表现如何变化。
材料自行协调运动
这些发现提示了一种可能的路径：构建通过自身物理设计、而非向每个组件下达指令来协调运动的机器人结构。
"我们的研究提供了一个令人惊叹的自发组织范例——微小的振动自我组织起来，直到整个材料以协调的方式运动，"该研究共同第一作者、伯明翰大学的 Jack Binysh 说。
这些实验结构集成了 100 多个传感器和致动器，还包括 3D 打印部件以及定制的洛伦兹致动器——后者利用电磁力产生机械运动。
研究人员设想的未来材料，能够在不同的稳定运动模式之间切换。这类结构最终或许无需为每种功能配备单独的机械系统，便能改变形状或朝不同方向移动。
不过，这些实验展示的是协调的振荡，而非一台能执行多种实际任务的机器人。研究人员尚未演示出为完成有用机器人操作而在不同运动模式之间进行的受控切换。
团队计划研究可支持更复杂运动（包括弯曲、扭转和剪切）的三维结构。
该研究发表在期刊《自然》（Nature）上。
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