Физики открыли эффект самоохлаждения роботов-роев при столкновениях

Микророботы в Институте теоретической физики II Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе. Автор: Heinrich-Heine University Duesseldorf

Как автоматически остановить целую толпу активных роботов? Оказывается, для этого можно использовать эффект саморегулируемого торможения. Это явление обнаружили физики из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) и Университета Ла Сапиенца в Риме. Ключевую роль здесь играет принцип статического трения с поверхностью: при столкновении двух роботов оно настолько эффективно поглощает их кинетическую энергию, что они больше не могут двигаться.

Исследователи описали в журнале Nature Communications, что этот фундаментальный эффект можно использовать для создания управляемых движущихся роботизированных систем.

Как известно, трение создаёт тепло — достаточно вспомнить, как мы растираем замёрзшие руки зимой. Трение также расходует энергию. Например, трение шин о дорогу постепенно замедляет движущийся автомобиль, если не нажимать на газ.

Два твёрдых тела, расположенных одно на другом, не будут двигаться даже при небольшом наклоне, пока статическое трение удерживает их вместе. Только при достижении критического угла наклона верхнее тело соскользнёт вниз, когда сила тяжести преодолеет трение. Физики называют это «сухим» статическим трением (без смазки), также известным как трение Кулона.

Эффект трения Кулона важен во многих практических сценариях. Например, при встряхивании зерна в силосе движущая сила или «активность» не постоянна, а колеблется. Это приводит к сложному движению «стоп-старт», когда частица движется, пока не замедлится из-за неблагоприятного колебания, затем останавливается из-за статического трения, а потом снова начинает двигаться при следующем благоприятном колебании. В физике частицу в покое называют «холодной», а движущуюся — «горячей». Таким образом, статическое трение в конечном итоге охлаждает активные частицы.

Саморегулируемое фрикционное охлаждение. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62626-9

В сотрудничестве с профессором Лоренцо Каприни из Рима группа физиков под руководством профессора Хартмута Лёвена из Института теоретической физики II Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе изучила поведение множества таких активных объектов. В демонстрационном эксперименте сотни напечатанных на 3D-принтере мини-роботов двигались по вибрирующей пластине.

При движении роботы-рои постоянно сталкивались друг с другом. При высокой плотности и низкой движущей силе вблизи порога статическое трение во время столкновений неоднократно останавливало роботов. Со временем это приводило к образованию кластеров неподвижных, то есть «холодных» роботов.

«Интересно, что при формировании крупных динамически изменяющихся кластеров возникает смешанная конфигурация, где холодные зоны сосуществуют с горячими. В равновесии это невозможно, так как такие температурные различия немедленно нивелировались бы при столкновениях», — отмечает профессор Лёвен.

Это поведение вызвано взаимодействием конкурирующих сил активности и трения Кулона. В масштабных компьютерных симуляциях, проведённых в Университете Дюссельдорфа, ведущий автор исследования доктор Александр Антонов обнаружил аналогичное поведение, пока сохраняется пороговый принцип. «Мы достигли того, о чём мечтают многие теоретические физики — поняли физический механизм экспериментального явления и воспроизвели его в численных симуляциях».

«Ключевой момент в том, что для охлаждения системы не требуется внешнего вмешательства. Вместо этого роботы охлаждаются сами при столкновениях», — считает профессор Каприни.

«Этот неожиданный эффект охлаждения в будущем можно будет использовать для автоматического управления целыми армиями роботов или коллективным поведением сыпучих материалов без внешнего контроля», — добавляет профессор Лёвен.

Дополнительная информация: Alexander P. Antonov et al, Self-sustained frictional cooling in active matter, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62626-9